Семен Соломонович Герштейн – академик РАН
Александр Гордон: ...историю, как эта частица – когда-то мифическая, в существовании которой сомневались очень многие – была названа. Можете рассказать эту историю и вообще историю появления нейтрино в физике?
Семен Герштейн: Вы знаете, это действительно очень поучительная история...
Владимир Лобашев: Хотя и не единственная такого сорта.
С.Г. Радиоактивность, как известно, бывает альфа, бета и гамма. Альфа-частица при распаде какого-то ядра всегда вылетает с определенной энергией, потому что это двухчастичный распад и его определяют законы сохранения энергии и импульса. А вот бета-электроны вылетают с разными энергиями, энергия куда-то теряется. И это был кошмар для физиков 20-х годов. Проверяли всячески – но энергия ускользала. Даже великий Бор предположил, что, может быть, энергия сохраняется не точно, а только статистически. Более того, Ландау даже думал, что энергия звезд может быть связана с этим процессом. Об энергии звезд, я думаю, мы тоже поговорим и о связи ее с нейтрино.
Гипотезу о том, что, может быть, вместе с электроном улетает какая-то нейтральная частица, которая обладает большой проникающей способностью, была высказана швейцарским физиком Вольфгангом Паули.
В.Л. Гипотеза была изложена в письме, где, кроме всего прочего, Паули объяснял свое отсутствие необходимостью подготовиться к новогоднему балу.
С.Г. Он написал письмо: "Дорогие радиоактивные дамы, радиоактивные господа, я думаю, что может быть такая вещь", – он думал, что нейтрино вылетает из ядра. Вечером в пивной он сказал своему другу, тоже впоследствии знаменитому астроному Бааде: "Я сделал нечто недостойное для теоретика – я выдвинул гипотезу, которую никогда нельзя будет проверить". На что Бааде предложил ему пари на бутылку шампанского, которое любил Паули, и сказал, что когда обнаружат, тогда и разопьем. В 56-ом году, когда впервые достоверно обнаружили нейтрино, Бааде напомнил Паули об этом и они с удовольствием распили бутылку шампанского.
Для того чтобы включить нейтрино в бета-распад, Ферми пришлось придумать новый тип взаимодействия. По существу, тогда были известны только электромагнитные и гравитационные взаимодействия. И чтобы объяснить вылетание нейтральной частицы, Ферми предположил еще одно взаимодействие, его назвали специальной бета-силой, в которой рождаются электрон и нейтрино. Правда, из математического удобства...
В.Л. Слово "нейтрино", имя "нейтрино" все-таки возникло сразу же. "Нейтрино" – это "нейтрончик" в переводе с итальянского.
С.Г. Кстати, в этом письме Паули отождествлял нейтрон и нейтрино. Но когда он понял, что должна быть меньшая масса, он от этого отказался. Но в каком-то смысле в этом шутливом письме он предсказал и нейтрон, и нейтрино. Но для удобства математического описания он назвал это антинейтрино.
Теперь смотрите, какую роль сыграло вообще в физике антинейтрино. Сразу же, как только была опубликована работа Ферми – это 33-й год – Игорь Евгеньевич Тамм и Дмитрий Дмитриевич Иваненко независимо предложили с помощью бета-сил объяснять ядерные силы, связывающие протоны и нейтроны в ядре. Но когда все сосчитали – увидели, что не хватает 14 порядков. Однако эту работу Игорь Евгеньевич считал одной из лучших своих работ, несмотря на Нобелевскую премию, которую он получил совсем за другое. И действительно, эта работа Тамма и Иваненко стимулировала японского физика Юкаву, который воспринял идею обмена частиц и предположил, что протоны и нейтроны в ядре обмениваются какой-то неизвестной частицей, а силу взаимодействия, поскольку это неизвестная частица, он мог приписать любую. И из радиуса действия ядерных сил, который был экспериментально известен, он указал массу – примерно 200-300 электронных масс. И почти сразу в космических лучах такая частица была найдена – с массой не то 200, не то 300 – опыты были грубые.
Но оказалось, что она обладает совсем не теми свойствами, что частицы Юкава. Она слабо взаимодействует с веществом, проходит всю атмосферу в космических лучах. Пи-мезон не мог бы это сделать, там десять длин поглощение. И это была тоже некая трагедия. В 44-ом году, во время войны, специально устроили экспедицию на гору Арагац, создали лабораторию Алиханяна и Алиханова для изучения этого вопроса. Но, к сожалению, их здесь подвел темперамент. Они обнаружили слишком много частиц, получили даже за это Сталинскую премию. Назвали их варитроны и так далее. Оказалось, что среди этих частиц и была нужная частица. Но это сделал уже Блекетт – английский физик, Паули и Оккиалини. Они обнаружили, что действительно есть частица Юкава, которая распадается на частицу, которую назвали мю-мезон, и нейтральную частицу, которую назвали нейтрино. Но, вообще говоря, никаких данных, что это то же самое нейтрино, что и в бета-распаде, не было. Оказалось, что это другое нейтрино.
Можно и дальше говорить, какую роль сыграло нейтрино. Потом открыли то, что называется "не сохранение четности в слабых взаимодействиях", то, что законы природы не зеркально-симметричны, как это происходит в электромагнитном поле и для сильных взаимодействий. Независимо друг от друга несколько человек – Ландау, Ли, Янг, Салам, все Нобелевские лауреаты впоследствии, – предположили, что нейтрино является спиральной частицей. Спиральная частица – как винтик, у нее вращение направлено против импульса, это доказали эксперименты. Такая частица должна была быть безмассовой, мы к этому вернемся. Безмассовой, потому что если у нее есть масса, а скорость меньше скорости света, то, если вы сядете в систему координат, движущуюся вместе с частицей или даже быстрее её, то импульс и вращение сменятся с левого на правое.
В.Л. Это-то как раз было трагедией для экспериментаторов, потому что заранее постулируется, что частица не имеет массы. Что еще можно искать? Но, тем не менее, надо отдать должное экспериментаторам того поколения – они начали искать массу с самого начала. Хотя уже существовала гипотеза о Вейлевском нейтрино, ужасно красивая.
С.Г. Автоматически предсказывалось, что масса ноль.
В.Л. Да, масса ноль и зачем искать? Но, тем не менее, поиски начались буквально почти с момента появления гипотезы о существовании нейтрино. И в этом деле очень большую роль сыграл распад трития, потому что тритий оказался наиболее, как говорится, "комильфо" для этих экспериментов, поскольку он обладал очень маленькой, по меркам радиоактивных веществ, энергией распада. И поэтому уже сразу было видно: раз он существует, распадается, значит, масса нейтрино меньше энергии перехода. А это означало, что масса нейтрино меньше, чем масса электрона, почти в сотню раз. Но тогда несложно предположить, что, наверное, она близка к нулю.
А.Г. Он и есть.
В.Л. А вот есть или нет – это тогда абсолютно не было известно.
С.Г. Оказалось, что очень красивые теоретические соображения позволяют понять, что масса нейтрино – ноль. Но я хотел бы продолжить.
Дальше две пары американских физиков Фейнман и Гелман, с одной стороны, и еще раньше Маршак и Сударшан использовали идею спиральности и решили, что все частицы – и массивные, и электроны, и протоны, – имеющие массу, тоже входят слегка левым образом. На основе этого предположения им удалось создать теорию бета-распада, а к тому времени были известны и другие события, где участвовали бета-силы.
И одно из первых предположений возникло в 46-ом году, когда выяснилось, что частицы, предполагали юкавскими, в веществе живут долго. Понтекорво предположил, что эти мю-мезоны захватываются ядрами наподобие того, как иногда электроны захватываются ядрами с испусканием нейтрино. Отсюда пошла гипотеза об универсальности слабых взаимодействий, что бета-силы не одиночные силы, а все распады с испусканием нейтрино и других частиц, связаны со слабыми взаимодействиями. А форма взаимодействия была такая, как если бы два тока обменивались частицей, имеющей спин единицу. Когда это было выяснено, была создана единая теория электрослабых взаимодействий, объединили слабые взаимодействия с электромагнитными. Точно так же, как в 19-ом веке Фарадей и Максвелл обнаружили единство магнитных и электрических сил, так обнаружено было и это единство слабых и электромагнитных взаимодействий.
Нейтрино в этом сыграло выдающуюся роль, потому что так называемый "V-А вариант" был построен по типу взаимодействия левых и правых частиц. И это блестяще подтвердилось. Принципы, на которых была построена теория, потом использовались уже в теории сильных взаимодействий – взаимодействий кварков. Возникла новая наука "квантовая хромодинамика".
Последние открытия, о которых Владимир Михайлович будет говорить, показывают, что нейтрино поведет нас еще и дальше, возможно, действительно к фундаментальнейшим следствиям.
В.Л. Вглубь Вселенной.
А.Г. Как?
В.Л. Нейтрино вместе с реликтовым фотоном является самой распространенной частицей в мире, то есть на каждый, скажем, нуклон или же тяжелую частицу приходится примерно десять в девятой степени нейтрино. То есть, вообще говоря, мы находимся в нейтринном море...
С.Г. "Нейтрино вокруг нас".
В.Л. Особенно большую роль это играло в момент биг-бенга, то есть рождения Вселенной. Тогда вообще существовали только электромагнитная плазма и нейтрино. А потом, при расширении, нейтрино смогли бы взаимодействовать друг с другом и за счет флуктуации образовать зародыши галактик...
С.Г. Если бы у них была масса.
В.Л. И вот теперь вопрос: галактики-то существуют. А действительно ли нейтрино вызвало это? По исследованиям реликтового излучения, действительно, нейтрино вроде бы имеют малую массу и способны вызвать эти флуктуации. Теперь дело за подтверждением этого экспериментами на Земле.
С.Г. Но, в конечном счете, твой эксперимент показывает, что это не так. Нейтрино играют во Вселенной колоссальную роль, но не...
А.Г. Дайте, я попробую задать вопрос, а вы поймете, понимаю я, о чем идет речь или нет. Нейтрино много, и они обладают маленькой, но массой. За счет общего количества этих частиц можно предположить общую массу нейтрино во Вселенной и таким образом избавиться от давно мучащего нас вопроса: почему та материя, которую мы имеем, занимает такой незначительный процент? Так теперь, оказывается, списать это на нейтрино не получается, даже если мы учитываем, что нейтрино может изменяться?
В.Л. Несомненно, что нейтрино в начале, примерно, по-моему, 400000 лет после биг-бенга, играли лидирующую роль в образовании флуктуации. Я думаю, что...
С.Г. Нет, нет. Вы очень хорошо поняли тему, потому что как раз из этих соображений Яков Борис Зельдович и я оценили верхний предел на массу всех типов нейтрино. Он тогда был примерно в тысячу раз, скажем, меньше, чем масса электрона. Сейчас эта цифра опять уменьшена, до 20 электрон-вольт... Но ваш вопрос совершенно правильный. Потому что из этих соображений мы и оценили в свое время верхнюю границу. Но... оказалось, что существует три типа нейтрино. Массу электронного нейтрино Владимир Михайлович с рекордной точностью ограничил верхним пределом – два электрон-вольт сейчас, да?
В.Л. Да.
С.Г. То лабораторные эксперименты для мюонного нейтрино дают верхнюю границу в 300 килоэлектрон-вольт, это почти 160 масс электрона. А для так называемого тау-нейтрино прямые эксперименты дают массу 15 миллионов электрон-вольт. То есть в 30 раз больше. Это прямые солнечные эксперименты. А вот из космологических данных на все эти массы можно было дать меньший верхний предел. Но в принципе, этот предел позволял бы, как говорит Владимир Михайлович, соорудить, так сказать, галактики, скопление галактик и так далее.
В.Л. А также звезды, планеты и человека...
С.Г. Но благодаря экспериментам последних лет, которые произвел Владимир Михайлович, оказалось, что так, к сожалению, не получается. Не из-за нейтрино образовались скопления галактик и так далее.
А.Г. То есть, нейтрино играли роль в образовании структуры Вселенной, но не только они.
С.Г. Они маленькую роль играли, скорее всего.
Я хотел пояснить вот какую вещь. Почему реально было зарегистрировать нейтрино? Почему в этом сомневались, и почему все-таки это удалось? Оказывается, нейтрино с реакторной энергией или то, что от Солнца идет, может пролететь десять в двадцатой сантиметров в плотном веществе, в чугуне, это в 10 миллионов раз больше, чем расстояние от Солнца до Земли. И только на этом расстоянии есть вероятность, близкая к двум третьим, что оно вызовет какую-то реакцию.
В чем заключалась идея Бруно Понтекорво о возможности регистрации нейтрино? Представьте, что у вас есть кубический метр вещества. Если одно нейтрино пролетает метр, а длина его среднего пробега десять в двадцатой, то вероятность, что оно на этом пути вызовет реакцию – десять минус в восемнадцатой. Это ничтожное число. Теперь представьте, что этот куб стоит около реактора. Реактор испускает на расстоянии 10 метров – это Владимир Михайлович хорошо знает...
В.Л. Десять в тринадцатой...
С.Г. Десять в тринадцатой нейтрино на сантиметр квадратный в секунду. Площадь у вас метр на метр, 10 в четвертой, значит, падает 10 в семнадцатой нейтрино в секунду. А вероятность зарегистрировать для одного – десять минус в восемнадцатой. Вы получаете в секунду одну десятую события. За 10 секунд – событие. Я говорю об идеализированном случае, потому что – и об этом, я думаю, Владимир Михайлович будет говорить, – серьезные физики тратят больше времени на различные контрольные эксперименты, чем на открытие.
А число нейтрино от реактора легко сосчитать. Возьмем Чернобыльский миллионник, реактор в миллион киловатт. Вы можете сказать, сколько делений происходит, чтобы дать миллион киловатт электрической мощности, это три миллиона тепловой мощности.
В.Л. Можно прямо сказать, сколько бета-частиц там образуется.
С.Г. Конечно. Десять в двадцатой в секунду делится на 4?R2, получается десять в тринадцатой. Так же можно сказать, сколько нейтрино идет от Солнца. В школах говорят о солнечной постоянной – две калории в минуту на квадратный сантиметр. Для того чтобы поддерживать такую светимость Солнца, нужно определенное число реакций. Путем несложных вычислений вы получите шесть на десять в десятой нейтрино в секунду на квадратный сантиметр. Вот мы сидим, а на каждый квадратный сантиметр нашего тела падают 60 миллиардов солнечных нейтрино.
А.Г. И экранировать это невозможно.
В.Л. Невозможно. Можно представить масштабы нейтринного присутствия во Вселенной по взрыву сверхновой. Например, если бы нейтрино, испускаемые при взрыве SN-87 в Магелановом облаке, обладали достаточно сильными взаимодействиями, то энергия, которая выделилась в Солнечной системе, была бы джоуль на квадратный сантиметр. Достаточно вспомнить, что при взрыве небольшого термоядерного заряда такая энергия выделяется примерно на квадратном километре. То есть, все бы было сметено.
А.Г. То есть если бы они обладали зарядом...
В.Л. Да, зарядом или каким-нибудь видом взаимодействия, большим, чем слабое взаимодействие.
С.Г. Кстати сказать, сверхновая 87-го года разорвалась сравнительно близко от нас.
В.Л. 180 тысяч световых лет...
С.Г. Однако, три установки, в том числе российская на Баксане, зарегистрировали импульс нейтрино, скоррелированный со вспышкой этой сверхновой.
В.Л. Правда, к сожалению, американский эксперимент IBM и японский "Камиоканде" сделали это более отчетливо. А так, это была бы большая претензия на Нобелевскую премию.
С.Г. За работы на "Камиоканде" и дали Нобелевскую премию 2002 года, в том числе за регистрацию нейтрино.
А.Г. Хорошо, так все-таки, почему нейтрино поведет нас дальше? Вот это я пытаюсь понять.
В.Л. Сейчас я попытаюсь два слова, может быть, добавить, почему нейтрино поведет нас дальше. Мне кажется, потому что оно имеет очень маленькую массу.
С.Г. Это, во-первых.
В.Л. И это выделяет ее из всех других частиц. Правда, фотон не имеет вообще массы, но это специфический случай. А вот фермион, то есть частица с полуцелым спином, как у нейтрино, не имеющая массы или очень маленькую массу, она должна быть объяснена. И это объяснение, по-видимому, на сегодня отсутствует.
С.Г. Но с другой стороны, сейчас существуют эксперименты, можно будет о них сказать, которые доказывают, что, тем не менее, маленькая масса существует.
В.Л. Маленькая масса есть. Это было обнаружено экспериментом, где нейтрино после своего рождения меняло свое квантовое число. Скажем, с электронного на мюонное или с мюонного на тау-нейтрино. Это процесс, который называется осцилляцией.
А.Г. И он характерен только для частицы с массой.
В.Л. Да. Если осцилляция существует, то масса обязательно должна быть хотя бы у одной частицы. То есть, несомненно, что нейтрино имеет массу. Но в экспериментах с осцилляцией выяснилось, что одновременно глубина этих осцилляций достигает почти 100 процентов. А это означает, что нейтрино с разными квантовыми числами идентичны. То есть все три нейтрино, по-видимому, имеют одну близкую друг к другу массу.
А.Г. Несмотря на разное происхождение.
В.Л. Да, несмотря на разное происхождение.
С.Г. Очень близкую, а так как имеется ограничение Лобашова на массу электронного нейтрино, то значит, и тау-нейтрино, и мюонные нейтрино имеют массу не больше двух-трех электрон-вольт, и поэтому в создании галактик они не играют роли, по-видимому.
Но я хочу сказать еще, куда все это ведет. Силы, которые вызывают переход одного типа нейтрино в другой, могут быть сродни силам, которые приводят к распаду протона – стабильной частицы. Время жизни протона сейчас оценено. Оно, во всяком случае, больше чем 10 в тридцать второй лет.
В.Л. Это оценено экспериментально, но теоретики очень этим недовольны.
С.Г. Но оно может быть и 10 в 38-ой лет. Если это так, то опыт – совершенно нереален.
В.Л. Когда-то Салам на конференции в Токио в своем заключительном саммари заявил, что если время жизни протона будет больше 10 в сорок второй, тогда это будет интересно для теоретиков. Но он вычеркнул эту фразу потом в письменном варианте своего доклада. Это фантастика, конечно.
С.Г. Но для этого есть некоторые теоретические основания. Современные теории электрослабого взаимодействия, взаимодействия кварков – их называют "калибровочными теориями" – основаны на том, что поля вызываются сохраняющимися зарядами. Эти поля, как, например, электромагнитное поле, – безмассовые. Поле нейтринное, поле барионное, не вызывает безмассовых полей, нет дальнодействующих сил, так что есть опять же экспериментальные ограничения. Отсюда можно вывести предположение, что эти величины – сорт нейтрино и барионное число – не сохраняются.
А если не сохраняется барионное число, то это ключ к объяснению барионной асимметрии Вселенной. Эту гипотезу высказал впервые Андрей Дмитриевич Сахаров в 67-ом году. Здесь играет очень большую роль, во-первых, возможность распада барионов, скажем, протонов или антипротонов, а также некое отклонение от симметрии, которое называется комбинированная четность, и кинетика. Так вот с осцилляцией нейтрино может быть связано объяснение, почему во Вселенной нет антивещества, а только вещество, хотя в самые ранние миллисекунды расширения антипротонов и протонов было почти одинаковое количество.
А.Г. Вернемся к вашему эксперименту все-таки.
В.Л. Прежде всего я хотел бы показать, в чем состоит идея. На этой картинке показана форма бета-спектра. На самом краю форма определяется спектром нейтрино, потому что электрон уносит практически всю энергию, на долю нейтрино остается очень немного. И это как раз то место, где у нейтрино маленькая энергия, и поэтому чувствительность эксперимента к массе – наибольшая.
Здесь показано, какой эффект вызывает наличие массы. Если масса всего лишь 10 электрон-вольт, то тогда количество электронов в этой заштрихованной области составляет примерно 10 в минус десятой от полной интенсивности этого бета-спектра. Если масса – один электрон-вольт, то это 10 в минус тринадцатой. То есть приходится выделить фантастически маленькую долю всего бета-спектра, не повредив, так сказать, при этом ее формы. Для этого как раз удобнее всего бета-распад трития.
Здесь два рисунка. На правом рисунке показана маленькая область кубика и то, как все выглядит, если увеличить все почти в 2000 раз. Таким образом, нахождение провала на этом кусочке и является задачей эксперимента. Для этого надо построить соответствующий спектрометр. А со спектрометрами очень долгая история. Можно первый рисунок? Здесь очень интересная зависимость. Это чувствительность экспериментов к массе нейтрино в зависимости от времени. И, как видите, в логарифмическом масштабе – это прямая линия. Оказывается, что в тех экспериментах, которые длятся примерно 30-50 лет, улучшение качества эксперимента происходит экспоненциально. То есть можно даже предсказать, где будет следующая точка, и, как ни странно, это почти всегда выполняется, правда, с точностью плюс-минус единица.
С.Г. Кстати сказать, на этом рисунке вы видите, что в ИТЭФ вроде бы даже и обнаружили массу.
В.Л. Об этом в двух словах. В 80-м году был большой шум, потому что группа из Института теоретической и экспериментальной физики объявила, что она видит в бета-распаде трития отклонения от разрешенной формы, которые свидетельствуют, что масса нейтрино – 30 электрон-вольт.
С.Г. Или 18 электрон-вольт.
В.Л. Нет, 30 электрон-вольт, 29 плюс-минус два. Это было железное заявление. Это вызвало очень большой шум, потому что это, во-первых, объясняло наличие темной материи...
С.Г. И образование галактик.
В.Л. Да, на все массы хватало. И эксперимент, надо сказать, был очень квалифицированный. И спектрометр Третьякова -великолепный спектрометр для того времени. И тем не менее...
А.Г. Ошиблись на порядок.
В.Л. Да, ошиблись на порядок. Переоценили чувствительность своей установки.
С.Г. Ну и в обработке данных там было не все гладко...
В.Л. Конечно, тут же люди бросились это дело перемерять. На подготовку такого эксперимента ушло 10 лет. И первые эксперименты были сделаны уже только в 90-ом году. Они показали, что все-таки ИТЭФ не прав.
С.Г. Здесь я хочу сказать о пользе, которая иногда бывает от ошибки. Когда была эта ошибка, все бросились проверять, по-моему, 15 лабораторий.
В.Л. 20 лабораторий.
С.Г. Так что иногда ошибки бывают полезными.
В.Л. И вот в 90-ом году только начали вступать в строй установки с границей порядка 100 квадратных электрон-вольт. Надо сказать, что масса меряется в квадратных электрон-вольтах, она получается из спектра. И видно, как масса уточнялась в течение нескольких лет. Но более серьезное уточнение началось только с 94-го года, когда появился наш первый результат.
В чем состоит наш эксперимент, может быть, два слова. Понимаю, времени для этого мало. Пожалуйста, пятый рисунок. Здесь показан спектрометр и источник. Это целая система, которая была создана и дала результаты, показанные на предыдущем рисунке. Слева находится сверхпроводящая труба с полем от 1 до 5 Тесла, в котором электроны движутся адиабатически, то есть вдоль магнитных силовых линий. Тритий инжектируется в центр самой левой трубы, магнитное поле уводит электроны, а тритий по обоим концам этой трубы откачивается диффузионными насосами и снова поступает в трубу так, что образуется циркуляция. Образуется облако трития с постоянной плотностью, которая испускает электроны, которые можно уже мерить и быть уверенным, что искажение спектра определяется только взаимодействием электрона с тритием – а это минимальное искажение.
Чтобы использовать все возможности такого источника пришлось, собственно, придумать такой спектрометр, в котором измерение происходит интегральным способом, то есть пропускаются электроны с энергией выше потенциала цилиндрического электрода в центре спектрометра... Ну, я не буду рассказывать подробности, но важно, что такой спектрометр позволяет получить разрешение сразу в несколько электрон-вольт и добраться до крайней точки бета-спектра, на минимальные расстояния от конца.
С.Г. Поскольку я в восторге от эксперимента, то кое-что добавлю. Понимаете, он работает в области 10 минус в одиннадцатой. Чтобы ему не мешал остальной фон, он отсекается электрическим полем. Он ставит поле на 18 с половиной, скажем, или больше электрон-вольт и электроны с меньшей энергией в детектор не попадают.
А.Г. Такое электронное сито получается.
С.Г. Не сито, а просто нож, я бы сказал, который отсекает как раз нужную ему область. Чтобы точнее измерять энергию, он имеет магнитное поле с такими как бы пробками.
В.Л. То, что называется "пробкотрон".
С.Г. На этом принципе Будкером была придумана термоядерная установка "Огра".
В.Л. Здесь главное, что с помощью магнитного поля можно избежать регистрации электронов, которые родились на стенках. Электростатические спектрометры все страдают именно тем, что в остаточном газе образуются ионы, они бомбардируют стенки, электроны попадают в детектор...
А.Г. Сильный шум...
В.Л. Очень сильный фон или шум. На этом погорело несколько экспериментов. Сейчас еще есть один любитель, который хочет сделать чистую электростатику, посмотрим. Я думаю, что ничего не выйдет.
С.Г. В общем, это блестяще придумано. И отсечение от фона, и точность измерения энергии.
В.Л. Седьмой рисунок, пожалуйста.
Здесь показано как выглядит экспериментальный бета-спектр. Обратите внимание, внизу шкала энергий, то есть изменяется потенциал этого спектрометра, и считается количество электронов, регистрируемых детектором за определенный интервал времени. И видно, что буквально несколько электрон-вольт отделяют первые не нулевые точки от граничной энергии бета-спектра. Таким образом, это наиболее чувствительная область приближается как можно ближе к самому концу.
Мне не хотелось бы сейчас об этом слишком много говорить, но здесь же виден некий эффект, который мы еще не понимаем. Пунктиром обозначен бета-спектр, который получен путем сравнения со всем бета-спектром, который мы можем регистрировать. Мы только часть, конечно, можем регистрировать. И эта разность между пунктирным бета-спектром и экспериментальным имеет характер ступеньки. Здесь, может, плохо видно, потому что большой наклон. На самом деле, если вычесть одно из другого, то получается почти ступенька. Это вещь вообще-то не мешает измерению массы нейтрино, потому что может быть исключена просто вырезанием, так сказать. Но, с другой стороны, она носит очень странный характер. Мы пока еще работаем над этим. Но, в общем, повторяется это уже в течение многих лет.
А.Г. Никаких гипотез, объясняющих это...
В.Л. Есть гипотезы, но очень экстравагантные, даже не хотелось бы о них говорить.
С.Г. Я хотел бы еще немножко сказать о нейтрино в астрофизике и космологии. Когда в Галактике вспыхивает сверхновая звезда, ее свет сравним со светом всей Галактики, а в Галактике сто миллиардов звезд, то есть она светит как сто миллиардов звезд. Но оказывается, что это всего один или два процента от общей выделяемой энергии. 98-99 процентов выделяется в нейтрино. Почему? Да потому что нейтрино могут проходить...
В.Л. Вылететь могут...
С.Г. Последнее достижение многолетней работы – это то, что с помощью нейтрино удалось заглянуть в центр Солнца и посмотреть, как оно работает. Были большие сомнения, потому что первый эксперимент по идее Понтекорво, поставленный Дэвисом...
А.Г. Там возник дефицит нейтрино.
С.Г. Да, дефицит нейтрино. Потом японцы запустили установку "Камиоканде", потом еще "Суперкамиоканде". У них тоже был дефицит, но если вы брали данные "Камиоканде" и потом переносили этот поток к Дэвису, оказывалось, что некоторые побочные источники нейтрино, которые должны были быть, не только не вносят вклада, а вообще дают отрицательный вклад. То есть возникало противоречие.
На Баксане, в институте, где работает Владимир Михайлович, был поставлен опыт.
В.Л. Это отдел академика Зацепина.
С.Г. Был поставлен опыт, предложенный Кузьминым – галлий-германиевый радиохимический способ, там было накоплено 60 тонн галлия, это фактически вся мировая добыча.
В эксперименте Дэвиса не мог быть зарегистрирован основной поток нейтрино, который обладает меньшей энергией, порог регистрации у него был высокий. А в галлие-германиевом эксперименте регистрируется именно основной поток. И там тоже обнаружили дефицит. Это означало, что дело не в Солнце. Все решились буквально два года назад, когда заработала канадская обсерватория SNO, они обнаружили следующее.
У них была тяжелая вода, то есть был дейтерий, и они могли регистрировать, как электронные нейтрино, которые вызывают превращение одного из нейтронов в протон и испускание электрона, так и взаимодействие, которое вызывается так называемыми нейтральными токами. С помощью нейтральных токов может действовать не только электронное нейтрино, а и мюонные и тау-нейтрино. Когда на основании теории и экспериментальных данных посмотрели вклад этих нейтральных токов, то всё сошлось буквально. Ликвидировалось противоречие между хлор-аргонным методом Дэвиса, данными "Камиоканде" и канадской обсерватории. То есть, фактически была зарегистрирована осцилляция нейтрино, во-первых. Во-вторых, было показано, что с Солнцем все в порядке. Нейтрино из Солнца принесли нам информацию, а потом японцы устроили опыт на реакторных нейтрино. У них в сто километров был реактор, кажется, Володя?
В.Л. Не один реактор, а все буквально имеющиеся в Японии реакторы давали вклад в установленный детектор.
С.Г. И обнаружили, что от реактора идет поток электронных антинейтрино, что он на нужном расстоянии уменьшился – они перешли в другой тип, а другой тип не вызывал соответствующей реакции.
В.Л. Кстати говоря, в связи с этим было отмечено, что если ставить новые эксперименты, более чувствительные, то нейтрино от реакторов будут просто мешать, фонить. Настолько сейчас, во-первых, повысилась чувствительность экспериментов, а во-вторых, атомная энергетика завоевывает себе все больше и больше места.
С.Г. Вообще, про японцев можно очень хорошие слова говорить. Сколько они посвящают усилий и средств выделяют на науку.
В.Л. Очень жестко они все регулируют, не надо их идеализировать...
С.Г. Но построили же они "Суперкамиоканде".
В.Л. Траты были по минимуму, у нас затраты были бы в десять раз больше.
А.Г. Все-таки, возвращаясь к верхнему пределу установленной вами массы нейтрино. Это 2 электрон-вольта, да?
В.Л. Да.
А.Г. И она, вероятно, будет снижаться с ростом точности эксперимента.
В.Л. Да, я два слова хотел сказать ...
С.Г. Я только перед этим еще раз тебя перебью, извини, Володя. Осцилляция показывает разность квадратов масс и достоверно говорит о том, что, по крайней мере, какие-то нейтрино обладают массой, поэтому страшно интересно идти дальше, опускаться ниже.
В.Л. К сожалению, следующий прибор, который обладает гораздо лучшей чувствительностью, построен по той же схеме, будет сооружаться в Германии, в исследовательском центре Карлсруэ. Мы участвуем в этом, но, к сожалению, как партнеры второго сорта, потому что не можем дать нужного количества денег. Но идейное, так сказать, участие – стопроцентное.
А.Г. То есть по схеме Троицкого будет построен...
В.Л. Да, по схеме Троицкого, вот он изображен здесь. Диаметр здесь показан в 7 метров, сейчас собираются делать все-таки в десять метров. Это будет спектрометр, который позволит добраться до десятой электрон-вольта по массе. Будем надеяться, что это действительно произойдет, но требования, которые при этом предъявляются к самому спектрометру – исключительные. То есть надо сделать сосуд диаметром 10 и длиной 30 метров, с вакуумом 10 в минус 11-ой миллибара – такого еще нигде не делалось. Делался вакуум в небольших объемах, 10 минус 11-й, или делался большой объем с плохим вакуумом, а чтобы и сверхвысокий вакуум, и громадный объем – такого не делалось.
С.Г. Это холодное всё будет.
В.Л. Это будет охлаждаться до температуры минус 20...
А.Г. Тут крионасос стоит...
С.Г. И с газовым источником...
В.Л. Да, с газовым источником. Причем, из-за того что трубочка получается не 20 миллиметров, а 100 миллиметров, приходится длину его увеличивать в семь раз – для того чтобы исключить попадание трития в спектрометр. Такой проект в настоящий момент принят, идет его проработка.
А.Г. А сколько лет уйдет на создание такого прибора?
В.Л. Мы собираемся делать это где-то в 2007-2008 годах. Но можно ошибиться, потому что проблема действительно серьезная.
А.Г. И серьезные проблемы все-таки возникают с дефицитом массы вещества во Вселенной. Раз на нейтрино мы не можем его списать, что ж делать?
С.Г. Вот это и есть, по-моему, начало новой революции в естествознании. В 2003 году опубликованы данные так называемого "WMAP". Это спутниковый эксперимент, который изучал неоднородность реликта. Эта неоднородность на уровне нескольких единиц на 10 в минус 5-ой.
А.Г. Да, мы здесь даже видели карту, нам показывали.
С.Г. В каком-то смысле, все эти идеи опять же идут из России. Академики Сюняев и Зельдович в 70-ом году обратили внимание, что в момент, когда происходит рекомбинация водорода, когда температура такая, что электроны захватываются протоном, образуются нейтральные атомы, то фотоны спокойно могут из этой плазмы выходить. А эта плазма сама по себе неспокойна, в ней есть звуковые колебания, и отсюда возникают угловые неоднородности реликтового излучения. А по параметрам этих неоднородностей можно определить и полную массу вещества Вселенной...
В.Л. Сумму трех нейтрино.
С.Г. Имеется так называемая критическая плотность, которая связана с постоянной Хаббла, которая характеризует скорость удаления Галактик. Так вот, оказывается, отношение плотности вещества к критической с большой точностью – единица, немножко больше. Это значит, что пространственная геометрия нашей Вселенной – эвклидовская. Второе. Эти опыты доказывают, что привычная нам барионная материя – протоны, нейтроны, электроны – составляет только 4,5 процента от всего.
В.Л. По массе, а не по количеству частей...
С.Г. Что же остальное? Остальное есть то, что называют скрытая масса. Скрытая масса довольно-таки давно обнаружена, потому что движение звезд на периферии галактик определяется массой всех звезд, не только массой светящейся материи и газов, которые мы наблюдаем, а еще чем-то. И оказывается, что есть темная масса, которая раз в 6-7 превосходит светящуюся массу. Но кроме этой "темной массы" есть еще то, что назвали "темная энергия". Некоторые думают, что это есть энергия вакуумная, которая отвечает так называемой космологической постоянной. Ее впервые ввел Эйнштейн и потом говорил, что это самая большая ошибка в его жизни была, а сейчас ее используют.
В.Л. Только не надо говорить "используют", а то мы можем неверно быть поняты – ведь некоторые товарищи утверждают, что ее можно использовать прямо чуть ли не в энергетике...
С.Г. Нет, так ее использовать нельзя, она всюду распределена одинаково...
Но с некоторой точки зрения это неудовлетворительно. Поэтому было придумано особое поле. Греки считали в свое время, что есть четыре сущности – земля, воздух, вода, огонь, и оставляли место для пятой сущности – квинтэссенции, так и сейчас снова ввели некую "квинтэссенцию". Оказывается, если это не вакуумная энергия, что, в общем, не очень хорошо по ряду причин, то это квинтэссенция. А что такое квинтэссенция? Мы не знаем. А она составляет 70 процентов.
А.Г. Вернулись к идее эфира.
С.Г. Это фактически та же ситуация, о которой мы говорили в связи с нейтрино, когда было не сохранение энергии в бета-распаде, что-то уходило, а что – неизвестно. Это вопрос и для физики частиц, и для космологии, и для астрофизики. Люди очень самонадеянны бывают...
В.Л. Ландю вроде бы сказал: "Astrophysicists are often in wrong but never in doubt".
С.Г. Но, кстати, астрофизики предсказали уровень в ядре углерода, который ядерщики не знали – просто подсчетом красных гигантов...
В.Л. Ну, бывает, бывает...
А.Г. У нас заканчивается время, к сожалению...
С.Г. Я хочу сказать следующее. Надо осознать, что мы накануне новой революции в естествознании, понимаете? И действительно завидно, так сказать, студентам, которые сейчас учатся. Они, наверное, узнают ответ на эти вопросы. А что касается массы нейтрино, то есть опыты, по которым пытаются определить массу фотона. Кстати, самые лучшие данные были с космических исследований. Если есть масса...
А.Г. Теперь и фотон обладает массой?
С.Г. А почему? Не исключено.
В.Л. Предположить можно все что угодно...
А.Г. Но тогда возникают проблемы со скоростью света, возникает...
С.Г. Вы знаете, различие скорости света проявится на длинных волн порядка 100 тысяч километров – таких опытов не было.
А как оценивают массу фотона. Если бы у фотона была масса, то изменился бы немного закон Кулона и, измеряя на ракетах магнитное поле Юпитера, получили, что если у фотона есть масса, то она по крайней мере 10 в минус 49-й.
В.Л. 41-й, по-моему...
С.Г. 10 в минус 22-й и по отношению к 10 в минус 27-й электрона, получается 10 в минус 49-й, Володя. Если вообще есть, то 10 в минус 49-й. Покажу тебе на пальцах.
Но возникает вопрос о массе гравитона, она тоже сейчас теоретиками обсуждается с разных сторон. Вы с Логуновым беседовали, он говорит о массе гравитона. В новых теориях, которые пытаются все объединить, гравитон тоже имеет массу. Оценка этой массы такая, что изменяются кластеры галактик – известно, что на расстоянии в 500 килопарсек (парсек – три световых года) они еще взаимодействуют, отсюда можно сказать, что масса гравитона меньше, чем 10 в минус 62-й грамма...
Вверх