Как измерить разницу в массах?

Понять, что нейтрино осциллируют и, следовательно, обладают массой, достаточно просто, это почти что очевидно, но взвесить их на практике трудно — поскольку эксперимент должен быть чистым и с соблюдением ряда условий.

1. Разживитесь атмосферой и подвергните ее бомбардировке космическими лучами. К счастью, атмосфера у нас уже есть. Космические лучи атакуют молекулы воздуха и в числе прочего производят антинейтрино — мю и электронные.

2. Выройте глубоко под землей большой бассейн, наполните сверхчистой водой и снабдите детекторами. Поскольку мы все равно дожидаемся распада протона, такие бассейны у нас тоже уже есть.

3. Подсчитайте электронные и мюонные антинейтрино и посмотрите, сходится ли ответ.

Если нейтрино обладают массой, то на пути из атмосферы к датчику множество мюонных антинейтрино превратятся в электронные антинейтрино, так что детектор нейтрино обнаружит дефицит нейтрино по сравнению с ожидаемым количеством.

В 1998 году этот эксперимент напал на золотую жилу — на «Супер-Камиоканде» первыми обнаружили недвусмысленные признаки осцилляции нейтрино, а следовательно, нейтрино обладают массой. Последующие эксперименты это подтвердили и наложили ограничения на массу нейтрино.

Наверное, вы понимаете, что без осложнений не обошлось. Первое осложнение — в ходе экспериментов масса нейтрино измерена не была, зато выяснилось соотношение нейтрино разных типов, например количество мю-нейтрино в нейтрино № 1. Стандартная модель не дает нам абсолютно никаких объяснений, почему нейтрино смешиваются именно в таком соотношении, а между тем нам крупно повезло, что эти соотношения именно таковы. Иначе было бы крайне трудно обнаружить тот факт, что они вообще смешиваются.

Второе осложнение — непонятно, почему у нейтрино вообще есть масса. Стандартная модель изначально не предполагает массу у нейтрино, и большинство изданных в последнее время учебников по физике частиц предполагают, что нейтрино лишены массы. Но если считать, что масса у них все-таки есть, почему она такая маленькая? Нынешний верхний предел для массы нейтрино — примерно в миллион раз меньше массы электрона, самой легкой элементарной частицы, масса которой установлена. Ответа на этот вопрос у нас нет, как нет и никакой причины выбрать то или иное значение массы.

Третье осложнение — то, что массу нейтрино в результате этих экспериментов узнать невозможно. Математические выкладки позволяют только выяснить разницу между квадратом масс разных типов нейтрино. Если мы сумеем вычислить массу одного из типов, будет проще простого подсчитать массы остальных двух.

Как найти абсолютное значение масс

Последние двадцать лет физики ставят перед собой цель вычислить абсолютные значения масс нейтрино, а для этого надо узнать, какова масса какого-нибудь одного типа нейтрино. В Германии сейчас ставят эксперимент под названием KATRIN в надежде, что он сумеет непосредственно установить массу электронного нейтрино.

Устройство эксперимента относительно просто. Берете большой чан трития¹. Тритий — сравнительно редкая разновидность водорода, состоящая из 1 протона и 2 нейтронов. Он довольно-таки нестабилен, поэтому в скором времени начнет распадаться на гелий-3, а главное — испустит электрон (засечь который проще простого) и электронное нейтрино, существование и энергию которого можно будет вычислить. Поскольку мы знаем общее количество энергии, которое выделится при распаде, и можем измерить количество энергии электрона, значит, вся остальная энергия будет принадлежать нейтрино. А поскольку мы пронаблюдаем очень много распадов отдельных атомов, то сможем измерить минимальное количество энергии в нейтрино, то есть энергию, необходимую, чтобы получить его массу согласно Е = тc². Этот и последующие эксперименты позволят нам вычислить массу электронного нейтрино с точностью до 0,04% массы электрона.

Подготовка эксперимента завертится в 2011 году, так что мы полагаем, что получим точный ответ — причем скорее рано, чем поздно.

¹Да уж, только в мире физики огромный бак радиоактивного газа, который еще поди собери, называется «относительно простым устройством».