Жорж Шарпак - Спогади вигнанця, фізика, громадянина світу, Жорж Шарпак

Як показали результати LEP, Стандартна модель з неймовірною точністю бере до уваги всі експериментальні спостереження у світі надмалого, накопичені на сьогодні. Було проведено безліч перевірок — щоразу з надією відшукати помилку. Усі тести пройшли успішно, не було виявлено жодної похибки. Іноді експериментатори квапилися з оголошенням результатів. Проте щоразу, після нетривалих вагань наукової спільноти, урочисто виголошувалося звичне: «Результат повністю відповідає Стандартній моделі». Щоправда, нещодавно довелося ввести кілька нових параметрів для мас нейтрино, які раніше вважалися невагомими. Але до цього ми ще повернемося.

Головна перевага Стандартної моделі — рівень елементарності, якого пощастило досягнути завдяки відкриттю кварків і лептонів, а головний об’єднуючий принцип — незмінність об’єму, згідно з яким фундаментальні взаємодії випливають із незмінності в операціях симетрії, що залежать від просторово-часової точки, в якій їх застосовано. Виникла загроза нової перешкоди: кварки з’являються у трьох різних формах. Кожен має свій «колір» — це допомагає вирішувати деякі проблеми у статистиці, які трапляються за складання елементарних частинок, а також за вимірювання ефективного перерізу ексклюзивних процесів.

Модель ґрунтується на багатьох компонентах. Передусім вона спирається на сукупність елементарних складників, розподілених на три сімейства — їхні характеристики визначено експериментальним способом впродовж останніх десятиріч. Точні обрахунки на колайдері LEP стали кульмінацією пошуків, довівши когерентність теорії на рівні 10-18 м, відповідно до розмірів частинок.

Враховуючи ці результати, на сучасному рівні елементарності відкрито все. Це дивним чином нагадує пророцтво лорда Кельвіна48 — буцімто наприкінці ХІХ ст. фізику вже було вичерпано! LEP поклав край пошукам нових елементарних об’єктів, подібних до вже досліджених. Але це не означає, що заперечувалося будь-яке дослідження в цьому напрямку! Міг існувати і вищий рівень елементарності, який об’єднував би, скажімо, кварки й лептони. Звісно, сучасні дослідники прямують не цим широким трактом, проте одного дня вони повернуться до альтернативного напрямку.

Останній компонент Стандартної моделі відомий під назвою «спонтанний розрив слабкої електромагнітної системи». До нього ми ще повернемося — це явище пов’язане з уже оголошеним майбутнім відкриттям нової частинки зі спіном 0, яку називають скалярною — бозона Гіґґза.

Запрошення на одинадцяту

Сага про дослідження нейтрино — це історія, що тягнеться паралельно з історіями інших частинок. Проте у жменьці елементарних складників нейтрино посідають чільне місце — це один із компонентів, необхідних для розуміння феноменології частинок і, як наслідок, еволюції Всесвіту. Нині нейтрино цікавиться невеличка затята група, далека від більшості вчених. Ці марґінали збираються на власні конференції. Певною мірою на це впливає зачарування незвичною частинкою, яка приховує ще чимало несподіванок. Винаходили її відчайдушно, експериментально виявляли карколомно, друге нейтрино відкрили випадково, та й перші щілини у Стандартній моделі з’явилися саме в цьому місці.

Ми намагаємося розповісти про технологічні звитяги, на які довелося піти заради прогресу. Тому необхідно описати архетип детекторів нейтрино: японський прилад «СуперКаміоканде». Він посідає окреме місце в шерезі пристроїв, що позначили розвиток фізики частинок.

Під суто технічним кутом зору цей прилад не є революційно новим. Унікальні його розміри. Ми вже писали про складність виявлення нейтрино. Нейтрино середньої енергії може перетнути Землю, не залишивши ані найменшого сліду: для нейтрино Земля — прозора. На щастя, не абсолютно прозора, проте ймовірність зупинити нейтрино, що летить із Сонця і перетинає Землю, складає один шанс на мільярд. Тож, аби збільшити шанси на значне накопичення актів, потрібна велика кількість нейтрино та обладнання якомога більших розмірів.

Детектор «СуперКаміоканде» — це резервуар величезних розмірів, наповнений очищеною водою. Його об’єм — 50 кілотонн — приблизно в сім разів більший за вагу Ейфелевої вежі. Це — циліндр заввишки 40 м і діаметром 40 м. Усередині можна звести п’ятнадцятиповерховий будинок. Поверхню циліндра вкривають «очі» — величезні рурки фотоелектронних помножувачів. У діаметрі вони сягають 40 см та виготовляються спеціально для цього експерименту. У сумі по всій поверхні детектора розташовано 11 тисяч фотоелектронних помножувачів.

Дослід приніс два надважливі результати.

Насамперед він підтвердив те, що впродовж більше ніж тридцяти років називали дефіцитом сонячних нейтрино. Щосекунди Сонце надсилає потік у 60 мільярдів нейтрино на кожен квадратний сантиметр земної поверхні. Це — нейтрино електронного типу, утворені у осередді Сонця. Однак упродовж довгого часу результати показували від третини до половини очікуваного обсягу потоку. Висунули теоретичну гіпотезу: нейтрино перетворюються, себто здатні спонтанно змінювати тип. Електронне нейтрино, утворене в осередді Сонця, під час подорожі від точки утворення до точки виявлення перетворюється на мюонний або тау-нейтрон. Авжеж, ішлося лише про припущення, проте дуже привабливе, адже воно було справедливе тільки для нейтрино з ненульовою масою. А здоровий глузд наполягав на тому, що нейтрино таки мають масу — так само, як інші частинки матерії. Проблема полягала в дуже низькому гаданому рівні маси — адже одразу після відкриття нейтрино, щоб пояснити радіоактивність, поставили обмеження в менше ніж одну тисячну від маси електрона.

Завдяки рясній статистиці — за кілька років спостережень було виявлено більше 10 тисяч актів, — «СуперКаміоканде» спромігся з’ясувати специфіку коливання та поставити точніше обмеження на масу. Коливання фіксує лише різницю між масами нейтрино, які беруть участь у процесі. Згодом один експеримент у Канаді, відомий під назвою SNO (Спостереження нейтрино у Садбері), завдяки мішені з важкої, а не звичайної води, зміг підтвердити явище взаємоперетворення, не лише виявивши зменшений потік електронних нейтрино, а й визначивши потоки нейтрино інших типів. Загальний потік нейтрино всіх трьох типів, як з’ясувалося, повністю відповідав теоретичним розрахункам утворення сонячних нейтрино. А експеримент у Японії, що дослідив нейтрино з великим діапазоном у ядерних реакторах, ще більше уточнив параметри коливання. Кінцевий результат можна тлумачити як зміну невеликої маси нейтрино другого типу — приблизно 9 меВ/с2. Це повністю вписується у простий сценарій ієрархії трьох нейтрино.

Проте «СуперКаміоканде» на цьому не зупинився. Детектор не лише перевірив претворення сонячних нейтрино, а й засвідчив перетворення атмосферних нейтрино, підтверджених двома скромнішими експериментами. Перший проходив на «Каміоканде» — резервуарі на 1 кілотонну води, попередникові «СуперКаміоканде». Перші отримані результати не переконали наукової спільноти, тож задля визнання явища знадобилися точніші дані.

Атмосферичні нейтрино утворюються внаслідок бомбування первісними космічними променями — переважно протонами високих енергій — високих шарів атмосфери. Серед вторинних частинок, що утворюються, є мезони, які розпадаються так само, як і в жмуті нейтрино в прискорювачі. Одержані нейтрино — суміш двох типів, електронного і мюонного. Вони походять з усіх горизонтів, оскільки атмосфера вкриває більш або менш однаковою оболонкою всю земну поверхню.

Детектор «СуперКаміоканде» здатен розрізняти як взаємодії, викликані електронними нейтрино, так і взаємодії, викликані мюонними нейтрино. Та якщо, згідно з розрахунками, потік електронних нейтрино б’є в детектор в усіх напрямках, мюонні нейтрино