Типы нейтрино и нейтринные осцилляции

Нейтрино – точно так же, как заряженные лептоны (электрон, мюон, тау), кварки верхнего типа (верхний, очарованный, истинный) и нижнего типа (нижний, странный, прелестный) – бывают трёх типов. Но делить на типы их можно разными способами. При этом, из-за квантовой природы нашего мира в один момент времени можно использовать только один из них. В этой статье я объясню, почему так происходит, и как из этого факта следует такой интересный и важный с научной точки зрения факт, как нейтринные осцилляции.

Вы, возможно, считаете, что у каждой частицы есть определённая масса – к примеру, энергия массы электронов равна (E = mc²) 0,000511 ГэВ – и с одной из возможных точек зрения три типа нейтрино не являются исключениями. Мы можем классифицировать три нейтрино по их массам (которые пока точно неизвестны), и называть их, от наиболее лёгких к наиболее тяжёлым, нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Мы назовём такое деление массовой классификацией, а такие типы нейтрино – массовыми типами.


Рис. 1

Другой способ классифицировать нейтрино – по их связи с заряженными лептонами (электроном, мюоном и тау). Это упомянуто в статье о том, как выглядели бы частицы, если бы поле Хиггса было нулевым. Лучший способ это понять – сфокусироваться на том, как на нейтрино влияет слабое ядерное взаимодействие, что отражается в их взаимодействиях с частицей W. Частица W очень тяжёлая, и если вы её произведёте, она может распадаться (рис. 1) на один из трёх заряженных антилептонов и один из трёх нейтрино. Если W распадается на антитау, то появится тау-нейтрино. Сходным образом, если W распадётся на антимюон, появится мюонное нейтрино. (Что критично для создании нейтринного луча, пион распадается при помощи слабых взаимодействий, и из положительно заряженных пионов получаются антимюон и мюонное нейтрино). А если W распадается на позитрон, появится электронное нейтрино. Назовём это слабой классификацией, а эти нейтрино – нейтрино слабого типа, поскольку их определяет слабое взаимодействие.

Ну и в чём же тут проблема? Мы постоянно используем разные классификации в применении к людям. Мы говорим о том, что люди бывают молодыми, взрослыми и пожилыми; они бывают высокими, среднего роста и низкими. Но людей можно по желанию разделять и далее, например, на девять категорий: молодые и высокие, молодые и среднего роста, взрослые и низкие, пожилые и низкие, и так далее. Но квантовая механика запрещает нам делать то же самое с классификациями нейтрино. Не существует нейтрино, являющихся одновременно мюонными нейтрино и нейтрино-1; не бывает тау-нейтрино-3. Если я сообщу вам массу нейтрино (и, следовательно, принадлежит ли он к группе нейтрино-1, 2 или 3), я просто не смогу сказать вам, является ли он электронным, мюонным или тау-нейтрино. Нейтрино определённого массового типа является смесью, или «суперпозицией» трёх нейтрино слабого типа. Каждый нейтрино массового типа – нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3 – точная, но отличная от других смесь электронного, мюонного и тау-нейтрино.

Верно и обратное. Если я увижу, как пион распадается на антимюон и нейтрино, я сразу же узнаю, что получившийся нейтрино будет мюонным нейтрино – но я не смогу узнать его массу, поскольку он будет представлять собой смесь из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Электронное нейтрино и тау-нейтрино – это тоже точные, но отличающиеся смеси трёх нейтрино определённых масс.

Связь между этими массовыми и слабыми типами больше похожа (но не точно соответствует) связи между классификациями американских шоссе, как идущих «с севера на юг» и с «запада на восток» (правительство США делит их таким способом, назначая нечётные числа шоссе С/Ю и даже простым дорогам З/В), и делением их на дороги, идущие с «северо-востока на юго-запад» и с «юго-востока на северо-запад». У использования любой классификации есть свои преимущества: классификация С/Ю – З/В подходит, если вы концентрируетесь на широте и долготе, а СВ/ЮЗ – ЮВ/СЗ будет более удобной вблизи побережья, поскольку оно идёт с юго-запада на северо-восток. Но обе классификации одновременно использовать нельзя. Дорога, идущая на северо-восток, частично является северной, и частично восточной; нельзя сказать, что она либо такая, либо сякая. А северная дорога является смесью из северо-восточной и северо-западной. Так и с нейтрино: нейтрино массового типа – смесь нейтрино слабого типа, а нейтрино слабого типа – смесь массовых. (Аналогия перестанет работать, если вы решите использовать усовершенствованную классификацию дорог С/Ю – СВ/ЮЗ – В/З – ЮВ/СЗ; для нейтрино такого варианта не существует).

Невозможность классифицировать нейтрино, приписав их к определённому массовому типу и к определённому слабому типу – это пример принципа неопределённости, похожего на странность, запрещающую одновременно знать точное положение и точную скорость частицы. Если вы точно знаете одно из этих свойств, у вас нет никакого представления о другом. Или вы можете узнать что-то об обоих свойствах, но не всё. Квантовая механика точно говорит вам, как сбалансировать ваше знание и незнание. Кстати, эти проблемы не относятся только к нейтрино. Они связаны и с другими частицами, но особенно важны в контексте поведения нейтрино.

Несколько десятилетий назад всё было проще. Тогда считалось, что у нейтрино нет массы, поэтому достаточно было использовать слабую классификацию. Если посмотреть в старые работы или в старые книжки для обычных людей, вы увидите только такие названия, как электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Однако после открытий 1990-х годов этого уже недостаточно.

И теперь начинается самое интересное. Допустим, у вас есть нейтрино высокой энергии электронного типа, то есть определённая смесь нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Нейтрино движется в пространстве, но три его различных массовых типа двигаются с немного отличающимися скоростями, весьма близкими к скорости света. Почему? Потому, что скорость объекта зависит от его энергии и массы, а у трёх массовых типов три разных массы. Разница в их скоростях крайне мала для любого нейтрино, которое мы сможем измерить – она никогда не наблюдалась – но её влияние удивительно сильно!

Разница скоростей нейтрино – немного формул

Скорость частицы v в теории относительности Эйнштейна можно записать через массу частицы m и энергию E (это полная энергия, т.е. энергия движения плюс энергия массы E=mc²), и скорость света с, как:

Если у частицы очень большая скорость и её полная энергия Е гораздо больше энергии массы mc², тогда

Recall the raised 1/2 means “take-the-square-root”. If the particle has very high velocity and its total energy E is much, much larger than its mass-energy mc2, then

Где точки напоминают о том, что эта формула – не точное, но хорошее приближение к большому Е. Иначе говоря, скорость частицы, двигающейся почти со скоростью света, отличается от скорости света на величину, равную половине квадрата отношения энергии массы частицы к её полной энергии. Из этой формулы видно, что если у двух нейтрино есть разные массы m₁ и m₂, но одинаковая большая энергия Е, то их скорости отличаются очень мало.

Посмотрим, что это значит. Все измеренные нейтрино от взорвавшейся в 1987 году сверхновой прибыли на Землю в 10-секундном промежутке. Допустим, электронный нейтрино был испущен сверхновой с энергией в 10 МэВ. Этот нейтрино был смесью из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3, каждый из которых двигался с немного отличной скоростью! Заметили бы мы такое? Массы нейтрино нам точно неизвестны, но, допустим, что у нейтрино-2 энергия массы равна 0,01 эВ, а у нейтрино-1 энергия массы равна 0,001 эВ. Тогда две их скорости, учитывая, что их энергии равны, будут отличаться от скорости света и друг от друга менее, чем на одну часть от ста тысяч триллионов:

(погрешность всех уравнений не превышает 1%). Такая разница в скорости означает, что части нейтрино-2 и нейтрино-1 изначального электронного нейтрино прибыли бы на Землю с разницей в миллисекунду – такую разницу по множеству технических причин засечь невозможно.

* * *

А теперь от интересного мы переходим к реально странным вещам.

Эта крохотная разница скоростей заставляет точную смесь из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3, составляющую электронное нейтрино, постепенно меняться при движении в пространстве. Это значит, что то электронное нейтрино, с которого мы начали, со временем перестаёт быть собой и соответствовать одной конкретной смеси из нейтрино-1, нейтрино-2 и нейтрино-3. Различные массы нейтрино трёх массовых типов превращают начальное электронное нейтрино в процессе перемещения в смесь из электронного нейтрино, мюонного нейтрино и тау-нейтрино. Проценты смеси зависят от разницы скоростей, и, следовательно, от энергии начального нейтрино, а также от различия масс (точнее, от различия квадратов масс) нейтрино.

Рис. 2

Сначала эффект увеличивается. Но, что интересно, как показано на рис. 2, этот эффект не просто постоянно растёт. Он растёт, а потом снова уменьшается, а потом снова растёт, снова уменьшается, снова и снова, в процессе движения нейтрино. Это называется нейтринными осцилляциями. Как именно они происходят, зависит от того, какие у нейтрино массы и каким образом там смешаны массовые нейтрино и слабые нейтрино.

Эффект осцилляций можно измерить благодаря тому, что электронное нейтрино при столкновении с ядром (а именно так нейтрино и можно засечь) может превратиться в электрон, но не в мюон и не тау, в то время, как мюонное электрино может превратиться в мюон, но не в электрон или тау. Так что, если мы начали с луча мюонного нейтрино, и после перемещения на некое расстояние некоторые нейтрино столкнулись с ядрами и превратились в электроны, это значит, что в луче происходят осцилляции, и мюонные нейтрино превращаются в электронные нейтрино.

Один весьма важный эффект усложняет и обогащает эту историю. Поскольку обычная материя состоит из электронов, но не из мюонов и тау, электронные нейтрино взаимодействуют с ней не так, как мюонные или тау. Эти взаимодействия, происходящие посредством слабого взаимодействия, крайне малы. Но если нейтрино пройдёт через большую толщу материи (допустим, через ощутимую долю Земли или Солнца), эти небольшие эффекты смогут накопиться и сильно повлиять на осцилляции. К счастью, о слабом ядерном взаимодействии нам известно достаточно для того, чтобы детально предсказать эти эффекты, и просчитать всю цепочку задом наперёд, от измерений в эксперименте до выяснения свойств нейтрино.

Всё это делается с использованием квантовой механики. Если для вас это не интуитивно, расслабьтесь; для меня это тоже не интуитивно. Всю имеющуюся интуицию я получил из уравнений.

Оказывается, что тщательное измерение нейтринных осцилляций – наиболее быстрый способ изучения свойств нейтрино! За эту работу уже давали Нобелевскую премию. Вся эта история появилась из классического взаимодействия эксперимента и теории, протянувшегося с 1960-х годов до сегодняшнего дня. Я упомяну наиболее важные из проведённых измерений.

Для начала, мы можем изучать электронные нейтрино, производимые в центре Солнца, в его хорошо изученной ядерной топке. Эти нейтрино путешествуют сквозь Солнце и через пустое пространство к Земле. Обнаружено, что когда они прибывают на Землю, они с одинаковой вероятностью могут принадлежать к типу мюонных или тау, как и к типу электронных нейтрино. Это само по себе служит доказательством нейтринной осцилляции, а точное распределение даёт нам подробную информацию о нейтрино.

Также у нас есть мюонные нейтрино, возникающие при распаде пионов, возникающих в космических лучах. Космические лучи — это частицы с высокой энергией, прибывающие из космоса, и сталкивающиеся с атомными ядрами в верхних слоях атмосферы. В получившихся в результате каскадах частиц часто встречаются пионы, многие из которых распадаются на мюонные нейтрино и антимюоны, или на мюонные антинейтрино и мюоны. Некоторые из этих нейтрино (и антинейтрино) мы засекаем в наших детекторах, и можем измерить, какая их часть принадлежит к электронным нейтрино (и антинейтрино) в зависимости от того, какую толщу Земли они прошли перед тем, как попасть в детектор. Это опять-таки даёт нам важную информацию о поведении нейтрино.

Эти «солнечные» и «атмосферные» нейтрино научили нас многому о свойствах нейтрино за последние двадцать лет (а первый намёк на нечто интересное случился почти 50 лет назад). И к этим естественным источникам энергии прибавляются различные исследования, проведённые при помощи лучей нейтрино, таких, как те, что используются в эксперименте OPERA, а также при помощи нейтрино из обычных ядерных реакторов. Каждое из измерений по большей части согласуется со стандартной интерпретацией солнечных и атмосферных нейтрино, и позволяет проводить более точные измерения смесей массовых типов и слабых типов нейтрино и различий в квадратах масс нейтрино массового типа.

Как и следовало ожидать, в экспериментах присутствуют небольшие расхождения с теоретическими ожиданиями, но ни одно из них не было подтверждено, а большинство, если не все, являются лишь статистическими случайностями или проблемами на экспериментальном уровне. Пока что ни одно противоречие с пониманием нейтрино и их поведения не было подтверждено в нескольких экспериментах. С другой стороны, вся эта картина довольно нова и достаточно плохо проверена, поэтому вполне возможно, хотя и маловероятно, что у неё могут существовать совершенно другие интерпретации. И действительно, уже предлагались довольно серьёзные альтернативы. Так что уточнение деталей свойств нейтрино – это активно развивающаяся область исследований, в которой по большей части возникает согласие, но кое-какие вопросы всё ещё остаются открытыми – включая полное и бесповоротное определение масс нейтрино.

Автор: Вячеслав Голованов

Источник