gordon: Нейтрино
Участники:
- Владимир Михайлович Лобашев– академик РАН
- 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...
Max_Evil
Когда эта частица впервые появилась в физике, ученые уже твердо знали, что существуют такие элементарные частицы, как нейтроны и протоны - "кирпичики", составляющие атомное ядро. Нейтрон не имеет электрического заряда, и по этой причине он получил такое название.
В 1931 г. известный швейцарский физик Вольфганг Паули пришел к выводу, что в природе должна существовать еще одна нейтральная частица с массой, намного меньшей, чем у нейтрона, как он говорил, "маленький нейтрон". Когда он излагал эту идею с трибуны одного международного научного совещания, итальянский физик Энрико Ферми перебил его словами: «Называйте его "нейтрино"»!
Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание "ино" соответствует русским суффиксам "чик" или "ушк". Так что нейтрино в переводе с итальянского будет означать "маленький нейтральный", или просто "нейтрончик". Так нейтрино было изобретено Паули, а окрещено Ферми.
На первый взгляд, нейтрино никакой роли в нашей жизни не играют, хотя через каждый квадратный сантиметр нашего тела ежесекундно проходит несколько миллиардов нейтрино, но мы их не замечаем. Однако без нейтрино не "работало" бы Солнце и звезды, не было бы всего того, что нас окружает, не было бы нас самих.
Вопрос о массе нейтрино - один из центральных в физике. За последние примерно 30 лет было выяснено, как взаимодействуют между собой основные элементарные частицы: лептоны и кварки. Были выяснены переносчики этих взаимодействий. Мы узнали, как взаимодействуют между собой элементарные частицы, как устроено сильное ядерное взаимодействие, слабое и электромагнитное. Чего мы не знали и не знаем до сих пор: как возникают массы у этих частиц. И для ответа на этот вопрос исключительно важно знать массу нейтрино.
Дело в том, что если взять стандартную массу - массу протона, то электрон примерно в 2 тыс. раз, а нейтрино примерно в 1 млрд. раз легче, чем протон. Самая тяжелая частица, так называемый t-кварк, открытый в начале 1990-х годов, весит примерно в 200 раз больше протона. То есть спектр масс фундаментальных частиц очень широк, и мы совершенно не понимаем, чем это обусловлено.
Для того чтобы понять, как устроены массы, строятся гигантские суперколлайдсры, с помощью которых надеются найти частицу, называемую хиггсом, благодаря взаимодействию с которой возникают массы у других частиц. И в этом смысле эксперимент по “взвешиванию” нейтрино - узловой.
Современные достижения физики нейтрино представляют интерес прежде всего для физики высоких энергий. То, что у нейтрино есть масса, но она очень мала, свидетельствует о совершенно новых явлениях, которые должны происходить при высоких энергиях, еще недоступных эксперименту. Стало очевидным, что модель физики элементарных частиц и элементарных взаимодействий - Стандартная модель - неполна и надо искать новые явления за ее пределами. В ближайшие 10 лет это будет очень важное направление в физике высоких энергий.
Кроме того, результаты, о которых сегодня шла речь, имеют космологический аспект. Видимо, во Вселенной существуют реликтовые нейтрино, причем суммарная плотность всех типов нейтрино - около 350 частиц в 1 см3. Давно стоит вопрос: какую часть полной плотности вещества во Вселенной составляют нейтрино? Из данных, полученных группой В.М. Лобашева, следует, что плотность нейтрино меньше, чем 10% полной плотности вещества во Вселенной. Значит, 90% вещества во Вселенной - не нейтрино. Что же это такое? Исследования первичного нуклеосинтеза показывают, что плотность других известных частиц - протонов и нейтронов - во Вселенной тоже небольшая - меньше 5%. Итак, более 85% вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы. Получается, что физики открыли множество разнообразных частиц и сами же обнаружили: Вселенная состоит не из них, а из чего-то совершенно неизвестного. Открытие этих частиц, выяснение их свойств - замечательная задача. Есть надежда, что она будет решена в обозримом будущем.
В общем, аналогичные эксперименты уже отчасти проводились, но результаты дали несколько иные. 5 июня на крупной международной конференции «Нейтрино 98» в японском городе Такаяма уже было объявлено, что у нейтрино есть масса. Для того чтобы заметить крошечную массу нейтрино, японским физикам пришлось построить детектор «Супер-Камиоканде» стоимостью в сто миллионов долларов и упрятать его в старой шахте для добычи цинка на глубине больше километра под горой Икена в Японских Альпах. Громадный цилиндрический детектор содержит 12,5 миллионов галлонов сверхчистой воды, окруженной тысячами специальных приборов ? фотоумножителей, которые могут регистрировать свет. Возникает он вот откуда: нейтрино летят с огромной энергией и те, что налетают на атомы воды, выбивают из них тоже весьма «энергичные» электроны. А эти частицы пронизывают воду и испускают излучение Вавилова ? Черенкова. Вот его-то и регистрируют фотоумножители. В гигантском цилиндре за день наблюдается пять ? шесть нейтринных взаимодействий.
Нейтрино в установку прилетали как сверху, рождаясь во взаимодействиях космических лучей с атмосферой, так и снизу ? из-под Земли. Из-за слабости взаимодействия с веществом толща нашей планеты для большинства частиц из потока нейтрино ? не преграда. По соображениям симметрии поток нейтрино «сверху» и «снизу» должен быть одинаков ? атмосфера ведь везде одна и та же, как и поток космических лучей. Но те, что возникли «снизу», должны еще лететь до установки более 12 тысяч километров. Экспериментальный результат состоит в том, что «снизу» в установку поступало в два раза меньше нейтрино, чем сверху. Это может значить лишь одно: по пути к детектору сквозь Землю часть нейтрино «поменяла сорт» и установка их «не видит» ? она настроена лишь на электронные нейтрино. А такое превращение по пути, как говорилось, возможно лишь, если у нейтрино есть масса. Поэтому делается вывод о ее наличии. Ради объективности стоит отметить, что подобные поиски начались более двадцати лет назад. Самый известный результат ? обнаружение массы у нейтрино в начале восьмидесятых годов московскими экспериментаторами из Института теоретической и экспериментальной физик и под руководством профессора В.А.Любимова. Опыты были невероятно сложны, а чувствительность так высока, что измерения приходилось проводить ночью, чтобы их не искажали искры от трамвайных дуг. Позднее оказалось, что результат был неправильным, но он пробудил колоссальный интерес во всем мире к поискам массы нейтрино. До этого задача казалась неразрешимой, а москвичи тогда показали, что можно и нужно пробовать. И вот через двадцать лет этот поиск увенчался успехом.
Это открытие имеет беспрецедентное значение не только для физики элементарных частиц, но и для космологии. Хотя обнаруженная масса нейтрино ничтожно мала ? в десять миллионов раз меньше, чем у электрона, ? этих частичек невероятно много в космосе (в 50 миллиардов раз больше, чем электронов), и они могут составлять значительную часть всей Вселенной, а значит и определять ее судьбу. Масса Вселенной в таком случае оказывается так велика, что современное ее расширение через много миллиардов лет сменится сжатием и она стянется в точку. Открытие массы нейтрино очень важно для современной теории частиц, называемой Стандартной моделью. Она содержит свод правил, по которым частицы взаимодействуют друг с другом, а также схемы их устройства. По этой теории у нейтрино массы быть не должно, но в последние годы возникли определенные трудности в объяснении некоторых явлений и вновь найденная масса позволит расширить рамки нынешней модели. «Эта удивительная находка может стать ключом к поискам Святого Грааля физики ? Единой Теории Всего, ? подчеркнул на конференции физик из университета на Гавайях Джон Лернд. ? Раз в жизни доводится участвовать в получении столь великих результатов». Нейтрино не участвует в сильных взаимодействиях, склеивающих протоны и нейтроны в ядра. А поскольку у него нет заряда, оно безразлично к электромагнитным силам. Поэтому-то нейтрино взаимодействует с веществом крайне слабо: триллионы их пронизывают наше тело за минуту, не оставляя никакого следа. Очень-очень редко одна частичка из огромного потока наталкивается на ядро атома ? вот этот след и видят физики- экспериментаторы. Самого же нейтрино, конечно, никто и никогда непосредственно не фиксировал. Всю историю «существования» нейтрино его сопровождают удивительные загадки. Исследователи уже давно пришли к выводу, что есть три разновидности нейтрино ? электронное, мюонное и тау=лептонное ? каждое названо в честь частицы, вместе с которой оно рождается. Почти четверть века экспериментаторы регистрируют поток нейтрино от Солнца, но получается он у них гораздо меньше, чем предсказывает теория. Эта нехватка стабильно наблюдается на различных установках. Возможным объяснением такого дефицита могла стать осцилляция ? превращение одного сорта нейтрино в другое по пути от Солнца к Земле. Но это возможно только в том случае, если у нейтрино есть масса ? тогда подобные превращения осуществимы и проблема нехватки устраняется.
Эксперимент, о котором идет речь, дает (если учесть данные других экспериментов) превосходную верхнюю оценку не только на массу электронного, но и на массу других типов нейтрино: мюонного и т-нейтрино. А это имеет фундаментальное значение как для физики элементарных частиц, так и для космологии. Дело в том, что в экспериментах по детектированию солнечных нейтрино были получены недавно убедительные данные, указывающие на то, что электронное нейтрино может осциллировать, переходя в другие два типа нейтрино.
Гипотеза о возможности нейтринных осцилляции была высказана Б.М. Понтекорво еще в 1957 г. С тех пор поиски нейтринных осцилляции велись в многочисленных экспериментах на реакторах, ускорителях высокой энергии и на мезонных фабриках. Поскольку, однако, расстояние, на котором происходит осцилляция, обратно пропорционально разности квадратов масс нейтрино, обнаружить осцилляцию при этом можно только в экспериментах на достаточно большой базе. В осуществлявшихся до сих пор лабораторных экспериментах расстояние между источниками нейтрино и детекторами оказалось недостаточным для заметного проявления осцилляции. Поэтому они и не были обнаружены. Вместе с тем регистрация солнечных и атмосферных нейтрино происходит на очень большой базе, что и обусловливает возможность обнаружения осцилляции в этих опытах.
Гипотеза о том, что происходит осцилляция солнечных (электронных) нейтрино, высказана около 40 лет назад, когда в первых экспериментах по детектированию солнечных нейтрино хлор-аргонным методом было обнаружено, что поток электронных нейтрино в 2.53 раза меньше расчетного. Поскольку в хлор-аргонном эксперименте регистрировались только нейтрино достаточно высокой энергии, составляющие незначительную часть общего потока нейтрино, наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино этих энергий можно было отнести и за счет неточности принятой "стандартной" модели Солнца. Однако эксперименты по детектированию основного потока солнечных нейтрино галлий-германиевым методом (предложен В.А. Кузьминым), проведенные в Баксанской нейтринной обсерватории под руководством Г.Т. Зацепина и в подземной лаборатории в Италии, доказали, что дефицит в потоке солнечных нейтрино не может быть объяснен какой- либо моделью Солнца.
Доказательством осцилляции солнечных нейтрино явились совместные данные японской установки Суперкамиоканда и запущенной более года назад канадской установки SNO, содержащей 1000 т тяжелой воды D7O. Дело в том, что мюонные и т-нейтрино (в которые частично переходят электронные нейтрино), будучи неспособными вызвать реакции превращения С1-Аг и Ga-Ge, могут, согласно Стандартной модели элементарных частиц, рассеиваться на электронах, передавая им часть своей энергии, а также вызывать расщепление дейтерия на протон и нейтрон. Число наблюдаемых в указанных установках электронов отдачи по сравнению с числом реакций, вызываемых одними только электронными нейтрино, полностью согласуется (в пределах статистических ошибок) с гипотезой осцилляции нейтрино и стандартной моделью Солнца.
Из факта существования осцилляции нейтрино следуют, по крайней мере, два важных вывода. Во-первых, как было показано В.Н. Грибовым и Б.М. Понтекорво, нейтрино должны иметь ненулевую массу покоя. Это указывает на необходимость дальнейших экспериментов в попытке обнаружить массу электронного нейтрино (или установить более низкий предел на ее величину). Во-вторых, поскольку из экспериментов по поискам осцилляции следует, что ?m2 < 10-3 эВ2, масса мюонного и т-нейтрино не может существенно превышать предел, установленный для массы электронного нейтрино. А это означает, что мюонное и т- нейтрино не могут быть носителями наблюдаемой темной массы Вселенной: из космологических оценок следует, что для этого масса "тяжелого" нейтрино должна быть порядка 20 эВ.
Вопрос, почему массы нейтрино столь малы по сравнению с массами соответствующих им лептонов, - фундаментальный в современной физике. Для его решения предложены модели, связывающие наблюдаемые "левые" нейтрино с гипотетическими сверхтяжелыми частицами. Возможно, что взаимодействия, приводящие к осцилляции нейтрино, то есть нарушающие сохранение сублептонного числа (или, иначе, типа нейтрино) приводят также к нарушению барионного числа и комбинированной СР-симметрии, обусловливающих барионную асимметрию Вселенной. Таким образом, изучение нейтринных осцилляций и определение массы нейтрино выводят нас в новую область физических явлений за пределами Стандартной модели.
В связи с этим можно напомнить, что проблема нейтрино сыграла фундаментальную роль в создании современной физики частиц. Именно для объяснения испускания нейтрино в ?-распаде Э. Ферми предложил в 1933 г. новый тип взаимодействия (отличающийся от известных в то время электромагнитных и гравитационных). Попытка объяснить с помощью этого взаимодействия ядерные силы (И.Е. Тамм и Д.Д. Иваненко) привела к пониманию различия между "слабыми" взаимодействиями Ферми и ядерными силами, то есть способствовала открытию сильных взаимодействий (X. Юкава). Теоретическая возможность существования спирального (левого) нейрино, предложенная Л.Д. Ландау, А. Саламом, Т.Д. Ли и Ц.Н. Янгом после открытия несохранения пространственной четности, привела в результате ее обобщения к открытию закона универсального слабого взаимодействия. Это, в свою очередь, стимулировало развитие так называемых калибровочных теорий, на основе которых удалось открыть единство электромагнитных и слабых взаимодействий, а также создать современную теорию сильных взаимодействий - квантовую хромодинамику.
Возможно, что именно изучение проблем нейтрино, его массы и осцилляции даст ключ к "новой" физике за пределами Стандартной модели. Важным шагом в этом направлении являются результаты нового эксперимента.
Описание эксперимента В.Лобашева. Известные элементарные частицы, испытывающие только электрослабое и, конечно, гравитационное взаимодействие, - лептоны ? образуют дублеты, которые объединяют заряженный лептон и нейтральную частицу - нейтрино:
Зараженный лептон Нейтрино
е (0.5 МэВ) ve
? (105 МэВ) у?
? (1777 МэВ) v?
Частицы, входящие в дублет, являются носителями квантового числа, условно именуемого flavor, или аромат.
Существование трех ароматов ? электронного, мюонного и ?- лептонного, называемых по имени заряженного партнера в каждом дублете, ? экспериментально установленный факт, который не объясняется так называемой Стандартной моделью. Что касается нейтрино, то при их свободном распространении наблюдались переходы из одного аромата в другие (осцилляции). Идею осцилляций нейтрино?антинейтрино высказал Б.М. Понтекорво в 1957 г., позднее была допущена возможность осцилляции между нейтрино с различными ароматами.
Мы хорошо знаем массу заряженных частиц. Она достаточно велика и изменяется от 0.5 (электрон) до 1777 (?-лептон) МэВ. Нейтрино в этом отношении представляет исключение. Его масса, как вначале следовало из экспериментальных данных, а теперь - из теории, очень мала, в 109 раз меньше массы наиболее тяжелого заряженного партнера. Казалось бы, столь малые эффекты не должны особенно интересовать физиков, если бы масса нейтрино не была фундаментальной величиной.
Согласно гипотезе Большого взрыва, нейтрино, наряду с реликтовыми фотонами, ? самые распространенные частицы во Вселенной. Но если фон реликтовых фотонов исследован с большой точностью, то реликтовые нейтрино все еще остаются "terra incognita". Плотность нейтрино связана с плотностью реликтовых фотонов, поэтому во Вселенной в среднем должно быть около сотни нейтрино каждого сорта в одном кубическом сантиметре. Таким образом, число нейтрино во Вселенной, по крайней мере, в 109 раз превышает число адронов, то есть нуклонов, образующих материю - видимую Вселенную.
Поиск массы нейтрино ведет начало с гипотезы В. Паули о существовании частицы с очень слабым взаимодействием. И первая оценка ее массы была сделана еще в 30-х годах, когда обнаружили тяжелый изотоп водорода - тритий с периодом полураспада 12 лет и малой энергией распада. Существование этого хорошо разрешенного перехода указывало на то, что масса нейтрино должна быть меньше 10 кэВ, то есть на два порядка меньше массы электрона. Дальнейшее уточнение массы нейтрино проводилось посредством измерения формы ?-спектра трития. Одну из первых работ выполнили в 1949 г. Б.М. Понтекорво и Г. Ханна с помощью пропорционального счетчика, наполненного тритированным метаном. Они получили верхнюю границу для массы нейтрино в 1 кэВ, что в 500 раз меньше массы электрона. Эта оценка послужила неким указанием на то, что масса нейтрино вообще равна нулю.
Согласно теории двухкомпонентного нейтрино, появившейся в 1958 г., она должна была быть тождественно равна нулю.
Отсутствие теоретической мотивации в тот момент не очень стимулировало дальнейшие поиски массы нейтрино. Тем не менее за 20 лет - с 1950 по 1970 г. - были проведены эксперименты, в которых масса нейтрино оценивалась на уровне 250-50 эВ. Особенно следует отметить работу Е.-К. Берквиста (Швеция), получившего ограничение на массу нейтрино в 50 эВ. В это же время теория универсального слабого взаимодействия дала однозначную интерпретацию формы ?-спектра распада радиоактивных ядер, в том числе и трития.
Почему, собственно говоря, был выбран именно тритий для измерения массы нейтрино?
В каком-то смысле тритий - аналог дрозофилы в генетических исследованиях, потому что он обладает уникальными свойствами: малой энергией перехода, простотой получения тритированных соединений, большой надежностью при вычислении атомарных и даже молекулярных эффектов. В этом смысле у трития нет конкурентов.
В 60-х годах гипотеза Понтекорво об осцилляциях нейтрино позволила объяснить дефицит солнечных нейтрино в опытах Р. Дэвиса. Данные, полученные Дэвисом, свидетельствовали о чрезвычайно малой массе нейтрино. Измерения ?-спектра трития стали не очень популярными, хотя экспериментаторы настойчиво продолжали улучшать свои установки.
После 1972 г. появление гипотезы объединения всех взаимодействий потребовало, чтобы нейтрино, как всякий фермион, имело хоть какую-то массу. Экспериментаторы начали поиски осцилляции нейтрино, то есть переходов между различными сортами нейтрино - электронным, мюонным и ?-нейтрино. Десятки теоретиков занялись интерпретацией результатов этих экспериментов, но делали при этом весьма разнообразные выводы.
Сегодня можно утверждать, основываясь на данных нескольких самых точных экспериментов, что осцилляции нейтрино есть. Это означает, что у него есть масса. Однако период осцилляции, который зависит от разности квадратов масс нейтрино разных ароматов, оказался очень большим, что соответствует очень малой разности квадратов масс. В то же время, глубина осцилляции, которая дает так называемый фактор смешивания различных сортов нейтрино, близок к 100%. Раз они хорошо смешиваются, то, учитывая, что разность квадратов масс мала, можно сделать такой вывод: нейтрино разных ароматов почти идентичны. Таким образом, основная часть массы нейтрино, общая для разных ароматов, остается неизвестной. С одной стороны, вроде бы масса есть, а с другой стороны, самые точные эксперименты (поиск осцилляции) обнаружить эту массу не могут, поскольку измеряют только разность квадратов масс.
Сегодняшнее значение для разности квадратов масс нейтрино - менее 10-3 эВ2 при факторе смешивания порядка 100%. Нейтрино разных ароматов как бы вырождены по массе, что делает задачу ее определения чрезвычайно трудной, но и более однозначной, поскольку, изучая свойства одного типа нейтрино, мы получаем сведения и о других типах. Сейчас мы знаем тонкие отличия между нейтрино, но не знаем главного: какова сама масса нейтрино.
Альтернативные подходы к поиску массы нейтрино, например, двойной безнейтринный распад, тоже не могут дать абсолютной величины массы. Поэтому вновь усилился интерес к изучению ?-спектра трития и получению массы нейтрино прямым кинематическим методом.
При ?-распаде радиоактивного ядра энергия распада делится между новым ядром, электроном и нейтрино. Поскольку ядро значительно тяжелее, основная энергия распада распределяется между электроном и нейтрино в соответствии с законом сохранения момента движения и полной энергии распада. По мере приближения к границе ?-спектра (максимальной энергии электронов) энергия нейтрино должна уменьшаться вплоть до точки, где эта частица имеет нулевую кинетическую энергию (в нерелятивистском приближении) и ненулевую массу (если она есть). Важно при этом, что тритий в этом отношении ? совершенно уникальный объект, его распад - своеобразная лаборатория низкоэнергетических нейтрино.
Единственным конкурирующим элементом может быть рений- 187, но при его ?-распаде возникает ряд обстоятельств, не позволяющих использовать такое преимущество, как меньшая, чем у трития, граничная энергия.
Измерение формы ?-спектра выполняется на самых его концах, соответствующих минимальной энергии нейтрино. Можно наглядно представить ?-спектр трития, если при изображении выделить зону – фрагмент спектра вблизи верхней границы энергии, содержащий информацию о массе нейтрино.
Если она не равна нулю, то ?-спектр здесь обрывается, не доходя на величину массы до максимальной энергии. Последняя может быть определена из формы остальной части ?-спектра.
Относительная часть ?-спектра, которая дает эффект массы, очень мала. Например, чтобы измерить массу 10 эВ, надо обнаружить дефицит интенсивности электронов в конце спектра на уровне 2.9 х 10-10 полной интенсивности ?- спектра, массу 1 эВ - уже 10-13. Задача определения массы нейтрино в каком-то смысле эквивалентна поиску редких распадов, но с выделением искомого эффекта только по форме спектра. На то, чтобы выделить конец ?-спектра в наиболее чистом виде, спектроскописты затратили более 50 лет.
Зависимость тритиевого спектра вблизи граничной точки от массы нейтрино выражается множителем, который представляет собой фазовый объем, занимаемый нейтрино в импульсном пространстве, тогда как полная энергия ?- распада уходит к электрону. Чем меньше энергия нейтрино, тем чувствительнее форма конца спектра к возможной массе. Следует также отметить, что при анализе формы ?-спектра измеряемой вели чиной является квадрат массы нейтрино. Это означает, что, сравнивая разные эксперименты и оценивая возможную чувствительность, мы должны сравнивать именно квадрат массы.
В 1980 г. случился, как можно сказать, "обвал" в физике нейтрино. Исследователи из Института теоретической и экспериментальной физики, проведя измерения на созданной ими уникальной для того времени установке, заявили, что форма ?-спектра трития соответствует наличию массы нейтрино около 30 эВ (квадрат массы 900 ± 150 эВ2). Эти результаты тщательно анализировались, но до получения первых результатов новых экспериментов не было уверенности, что в нем содержится какая-то ошибка. В 1980- 1981 гг. было выдвинуто около 20 предложений новых экспериментов, из которых до конца были доведены только три. Они исключили эффект массы нейтрино на уровне квадрата массы 70 - 150 эВ2. И только после экспериментов Цюрихской группы, группы Токийского университета и Лос- Аламосской национальной лаборатории эффект ненулевой массы был опровергнут.
Можно примерно представить на схеме результаты поиска массы нейтрино с 1990 по 2002 г. В уже упомянутых первых трех экспериментах в Цюрихе, Токио и Лос-Аламосе (1991- 1992) ошибка квадрата массы составляла 75-100 эВ2, тогда как начиная с 1994 г. ошибки были уменьшены до 4.3-2.2 эВ2. Последние по времени результаты, полученные в Троицке и в Майнце, соответствуют дефициту интенсивности в спектре почти 104 раз меньшему, чем в эксперименте Института теоретической и экспериментальной физики.
Значительно улучшилось энергетическое разрешение спектрометров. Огромный рост точности экспериментов ? следствие работы, которая выполнена в Институте ядерных исследований в Троицке и параллельно (по утверждению авторов эксперимента) независимо в Университете Майнца. Этого удалось достичь благодаря применению нового типа ?- спектрометра и источника трития, которые позволили войти в область точностей квадрата массы нейтрино порядка 1?2 эВ2.
В 1982 г. возникла идея использовать бутылкообразную магнитную ловушку, поместив источник трития с одной ее стороны (в пробке) в область максимального поля, а детектор электронов – с другой. Электроны, перемещающиеся в неоднородном, плавно меняющемся магнитном поле, находятся в состоянии так называемого адиабатического движения. При этом энергия поперечного движения, обусловленная ларморовской циркуляцией электрона вокруг магнитной силовой линии, становится почти равной нулю вблизи минимума магнитного поля. Точнее, она равна энергии электрона, умноженной на отношение магнитных полей в центре магнитной бутылки к максимальному значению поля в пробке. В этом случае взаимодействие с электрическим полем, производимым в центре бутылки цилиндрическим электродом, на который подается отрицательный потенциал, позволяет отсечь от детектора электроны, имеющие энергию ниже потенциала этого электрода с точностью нескольких электронвольт. если отношение магнитных полей в центре бутылки и в пробке достаточно велико. Электроны с энергией больше потенциала цилиндрического электрода ускоряются и регистрируются детектором - полупроводниковым кремниевым счетчиком.
Благодаря тому, что конфигурация магнитного поля обеспечивает везде адиабатическое движение, детектор "видит" только те электроны, которые родились на магнитных силовых линиях, пересекающих его поверхность. Если трубка потока, образуемого этими силовыми линиями, нигде не касается стенок прибора, то электроны, рожденные на стенках, не могут попасть в детектор. Именно это позволило в электростатическом интегральном спектрометре избавиться от фона, связанного с ионной бомбардировкой стенок, неизбежной в чисто электростатическом варианте. П.Н. Спивак потратил семь лет на то, чтобы получить низкофоновые условия в электростатическом спектрометре и в конце концов отказался от этого.
Проанализировав его опыт, можно в дальнейшем прийти к заключению, что магнитное поле обеспечит как низкий фон, так и хорошее разрешение.
Установка нового типа была создана в Троицке и получила название – “Троицк ?-масс”. В ней используется электростатический спектрометр интегрального типа. Сверхпроводящие соленоиды создают продольное магнитное поле. Отношение напряженности в минимуме и в максимуме поля определяет разрешение спектрометра. В нашем случае разрешение составляет 3.5 эВ. К тому же форма ?-спектра простая и хорошо интегрируемая. В принципе, на подобной установке можно получить разрешение 1 эВ. Сама установка по масштабам физики высоких энергий небольшая, но ряд проблем, связанных с ее созданием, бросает вызов искусству экспериментатора.
Для того чтобы исследовать спектр с точностью несколько электронвольт, необходимо иметь источник, в котором отсутствуют какие-либо окна. Наличие сильного магнитного поля на входе в спектрометр, позволяющего транспортировать электроны адиабатически на значительное расстояние, решает эту проблему. Источник представляет собой трубу диаметром 3 м. в середину которой инжектируется газообразный тритий. Труба находится в сильном продольном магнитном поле, и электроны транспортируются по ломаной узкой трубке диаметром всего 20 мм вплоть до спектрометра, где анализируются интегральным методом.
Чтобы избежать попадания трития в спектрометр (это было бы полной катастрофой), используется принцип последовательной дифференциальной откачки. После каждого ломаного участка узкой трубки имеется зазор, через который диффузионный насос откачивает тритий, причем выход каждого насоса подсоединен на вход предыдущего. Таким образом, даже при трех дифференциальных ступенях откачки удается получить фактор уменьшения давления трития порядка 107.
Дальше с помощью крионасоса, представляющего собой аргон, намороженный на холодную поверхность криостата, давление трития снижается еще на шесть порядков. Весь этот откачиваемый тритий проходит гетерные блоки очистки (эти блоки созданы сотрудниками ВНИИ неорганических материалов им. А.А. Бочвара). Далее очищенный тритий снова инжектируется в трубу, то есть идет непрерывная циркуляция.
Хочу отметить, что в спектрометре парциальное давление трития меньше, чем в галактическом пространстве. Благодаря последовательной схеме дифференциальной откачки удается получить парциальное давление трития порядка 1018 Торр. Достичь такого давления трития совершенно невозможно параллельной откачкой.
Стоит обратить внимание, что сверхпроводящая часть установки изготовлена в институте, где работает В.Лобашев, и успех этого дела в значительной степени связан с развитием в нашей стране технологии получения сверхпроводящего провода. Его качество превосходит то, что делается ныне за рубежом. Особенно важно, что для работы удалось получить гелиевый рефрижератор фирмы "Зульцер" с турбодетандерами на газовой подушке. Эта машина надежно работает на протяжении уже 15 лет.
Другой вариант спектрометра разработан за рубежом в Университете города Майнц. Его создание началось в 1986 г., тогда как нашего - в 1982 г.
Спектрометр в Майнце меньше нашего в два раза, в результате чего возникла масса проблем как с фоном, так и с источником, в качестве которого использовался намороженный тритий. Оказалось, что намороженный тритий способен заряжаться и искажать функцию разрешения спектрометра. К тому же испарение трития порождает фон в спектрометре. Был сделан дополнительный магнитный тракт для установки в Майнце, который позволил удалить источник от спектрометра и тем самым устранить в значительной степени фон. Так невольно в ходе разработок в нашей стране мы вырастили себе конкурента, но можно считать необходимым сотрудничество ученых.
Преимущества нового подхода заключаются в увеличении разрешающей способности и светосилы установки. В начале, сравнили аппаратурные функции энергетического разрешения, полученные на установке "Троицк v-масс" и в эксперименте 1980 г. Института теоретической и экспериментальной физики. Если в последнем разрешение составляет около 20 эВ (ширина на полувысоте), причем функция разрешения имеет длинные хвосты, связанные с рассеянием электронов в спектрометре, то в нашем случае функция разрешения - это линейная ступенька шириной 3.5 эВ, которая задается отношением магнитных полей на входе и в середине спектрометра.
Светимость определяется как регистрируемая в спектрометре часть телесного угла вылета электронов при распаде, умноженная на площадь источника. В установке "Троицк v- масс" эта величина на два-три порядка больше, чем в предыдущих экспериментах. Именно этим, а также возможностью энергетического анализа, который исключает высокоэнергетичные хвосты функции разрешения, обусловлен скачок в чувствительности установки к массе нейтрино. Газовый безоконный источник также имеет преимущество как перед намороженным, так и перед источником на базе тритированной органики, поскольку позволяет точно учесть поправки к спектру.
Заметим: при анализе спектра необходимо учитывать, что распад в молекулярном тритии идет в дочернюю молекулу. У этой молекулы около 200 возбужденных состояний, и переходы на них идут с меньшей энергией, искажая ?-спектр. К сожалению, найти способ экспериментального измерения возбужденных состояний дочерней молекулы трития сегодня не представляется возможным, так что приходится довольствоваться теоретическими расчетами. Однако для свободной молекулы в газовом источнике теория дает достаточно точную поправку.
В настоящее время группа В.Лобашева располагает результатами измерений квадрата массы нейтрино в разных сеансах на протяжении восьми лет. Однако чистое время измерений составляет примерно год, что связано как с техническими, гак и финансовыми трудностями. При анализе измерений формы ?-спектра оказалось, что значительная его часть описывается теоретическим спектром с массой нейтрино, равной нулю, кроме самого конца спектра. Здесь наблюдается некая структура в виде избыточной интенсивности, сдвинутая относительно граничной точки на 5- 15 эВ в сторону низких энергий. На графике разница между теоретическим и экспериментальным спектрами, полученная вычитанием одного из другого, напоминает ступеньку. Поскольку спектрометр интегральный, то для того чтобы сравнить его данные с данными дифференциального спектрометра, надо продифференцировать эту ступеньку, и тогда получается, что на этом месте спектра находится бамп. Он имеет ширину, близкую к разрешению спектрометра, и его наличие может означать, что в непрерывном ?-спектре появляется некая монохроматическая линия. Она может возникнуть только в результате двухчастичного процесса, а в ?-распаде трития, где фигурируют три частицы, ее появление исключено. На первых порах, чтобы избавиться от этой странности, пришлось вводить дополнительные параметры, которые как бы вырезали кусок спектра с бампом. Существенно также, что при обработке экспериментального спектра без учета бампа величина квадрата массы нейтрино получается отрицательной, равной 10-15 эВ. Учет же бампа с помощью двух свободных параметров полностью исключает эффект отрицательной величины квадрата массы нейтрино.
Судя по нашим измерениям, начатым в 1994 г. (см. таблицу), величина квадрата массы нейтрино находится около нуля. В сумме получен предел на массу нейтрино, равный 2.2 эВ при 95%-ной достоверности. На сегодняшний день, это - самая точная оценка массы прямым кинематическим способом. Она оказалась ниже пределов на массу нейтрино, даваемых другими методами, например, при анализе распределения реликтового фотонного излучения. Если полученная масса нейтрино верна, то существенно снизится возможный вклад любого вида (аромата) нейтрино в темную материю Вселенной.
Результаты измерения квадрата массы нейтрино
Год Квадрат массы, эВ2/с4
1994 -2.7 ± 10.1 (фит)* ± 4.9 (сист)
1996 +0.5 ±7.1 (фит) ± 2.5 (сист)
1997 1 -8.6 ± 7.6 (фит) ± 2.5 (сист)2 -3.2 ± 4.8 (фит) ± 1.5 (сист)
1998 -0.618.1 (фит) ±2.0 (сист)
1999 +1.6 ± 5.6 (фит) ± 2.0 (сист)
2001 1 -5.5 ± 6.5 (фит) ± 2.0 (сист)2 -5.2 ±6.7 (фит) ± 1.5 (сист)
с 1994 по 2001 -2.3 ±2.5 (фит) ±2.0 (сист)
Аномальные структуры, которые наблюдаются в спектре, может быть, представляют самостоятельный интерес, если, конечно, будет доказан их глобальный характер. Другими словами, они должны наблюдаться не на одной, а по крайней мере на двух установках.
Было прослежено положение ступеньки - разницы между теоретическим и экспериментальным спектрами ?-распада трития - относительно конца спектра в зависимости от сезонного времени измерений. Оказалось, что в большей части измерений положение этих ступенек хорошо (с точностью 0.5%) соответствует синусоиде с периодом полгода. Такое явление для слабого взаимодействия кажется чрезвычайно странным. Дальнейшие измерения показали, что к полугодовому периоду примешивается годичный. Лишь две точки за все время проведения эксперимента не ложатся на эту кривую, причем оба измерения были выполнены в канун нового года. Удивительно, но три года подряд фиксируются некие аномалии именно в две последние недели декабря. Связан ли этот эффект с движением Земли вокруг Солнца или с аппаратурой, предстоит выяснить.
Можно отметить, что в последних измерениях, проведенных в Университете Майнца, эффект ступеньки не обнаружен. Это может быть вызвано изменением некоторых параметров при обработке спектра, а также худшим энергетическим разрешением установки из-за самозарядки источника. Если все-таки эффект ступеньки будет в дальнейшем подтвержден, то в качестве экзотического объяснения можно рассмотреть возникновение монохроматической линии в спектре в результате двухчастичного процесса.
Таким двухчастичным процессом мог бы быть захват нейтрино тритием с испусканием монохроматического электрона. Этот процесс является обратным по отношению к ?-распаду, и его сечение хорошо вычисляется. Если такой процесс происходит, то мы должны наблюдать в конце ?-спектра трития монохроматическую линию с энергией перехода примерно 18.6 кэВ. Казалось бы, предложенная гипотеза, хотя и крайне спекулятивная, способна в принципе объяснить то, что мы видим в спектре. Однако, чтобы получить этот маленький пичок, интенсивность которого составляет 10-10 полной интенсивности ?-спектра, нужно иметь плотность нейтрино 1015 в 1 см3. Нейтрино должны быть вырожденными, а их облако ограничено по размерам так, чтобы движение Земли в его пределах создавало модуляции эффекта из-за переменной плотности.
В принципе такое можно допустить, потому что если нейтрино сгруппированы в сгустки, тогда нет проблем с их средней космологической плотностью. Разумеется, чтобы удержать эти сгустки, необходимо специальное взаимодействие для нейтрино. Напомним, что еще Б.М. Понтекорво ставил вопрос о возможности существования сильного нейтрино- нейтринного взаимодействия. Разумеется, такие объяснения сегодня могут рассматриваться как очень экстравагантная гипотеза.
Несколько слов о перспективах. Потенциал новой установки использован всего лишь на 20%. Увеличение эффективности с 20% хотя бы до 50% требует определенных финансовых вложений. Существует также другой проект - проект КАТРИН, который разрабатывается, к сожалению, не у нас, а в Германии, в исследовательском центре Карлсруэ. Это увеличенная копия маленькой установки "Троицк v-масс". Новая установка включает спектрометр с сосудом диаметром 7 м. В результате разрешение можно увеличить до 1 эВ (у нас - 3.5 эВ), а светимость, по сравнению с установкой "Троицк v-масс", - почти в 50-70 paз. Источник тритиевых электронов, конечно, будет представлять собой гораздо большее сооружение, чем то, что было у нас, однако его создание по силам современной технологии. В таком спектрометре парциальное давление трития должно составлять 10 2()Торр, что на два порядка меньше, чем галактический вакуум. С помощью последовательной дифференциальной откачки эти условия в принципе могут быть достигнуты.
Библиография
Арбузов Б.А. Открытие самой тяжелой частицы // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 9
Герштейн С.С. Загадки солнечных нейтрино // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 8
Козик В.С., Любимов В.А., Новиков В.Е. и др. Об оценке массы ?е по спектру ?-распада трития в валине // Ядерная физика. 1980. Т.32. № 1
Лобашев В.М., Спивак П.К. К вопросу об измерении массы покоя антинейтрино // Препринт ИЯИ АН СССР. М., 1983
Лобашев В.М. Измерения массы нейтрино в бета-распаде трития // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 1
Михеев С.П., Смирнов А.Ю. Резонансные осцилляции нейтрино в веществе // Успехи физических наук. 1987. Т.153. № 1
Окунь Л.Б. Лептоны и кварки. М., 1982
Окунь Л.Б. Физика элементарных частиц. М., 1988
Belesev A.I., Bleule A.I., Geraskin E.V. et al. Results of the Troitsk experiment on the search for electron antineutrino rest mass in tritium beta-decay // Phys. Lett. 1995. B.350
Bergkvist R.E. A high-luminosity, high-resolution study of the end-point behaviour of the tritium ?-spectrum // Nucl. Phys. 1972. B.39
Lobashev V.M., Aseev V.N., Belesev A.I. et al. Direct search for mass of neutrino and anomaly in the beta-spectrum // Phys. Lett. 1999. B.460
Weinheimer Ch., Degen A. et al. High precision measurement of the tritium beta-spectrum near its end-point and upper limit on the neutrino mass // Phys. Lett. 1999. B.460