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

демонструють механізм, унаслідок якого нейтрино, що перетинають Землю — проходячи її наскрізь між протилежними точками — нібито зникають. Тут також можна згадати явище перетворення: електронні нейтрино не перетворюються на відміну від мюонних в експериментальних умовах — тобто за енергії в середньому 1 ГеВ та на відстанях, тотожних діаметрові Землі, 13 тис. км. Згодом цей результат було підтверджено дослідом на прискорювачі, докладна інформація про пучок у якому дозволила провести складніший аналіз. Це не суперечить результатові, отриманому з сонячними нейтрино з набагато нижчою енергією — близько 10 МеВ — та з набагато більшою відстанню.

Отже, вимальовується переконлива схема фізики нейтрино — з трьома частинками з ненульовими масами, дві з яких (найбільші) нам відомі: 9 меВ/с2 для мюонного та 50 меВ/с2 для електронного нейтрино. Це — найпростіша схема, адже перетворення фіксують лише різницю між масами. Отже, нейтрино таки посідають масу — і цей висновок завершує тривалу дискусію, що розпочалася з відкриття першого нейтрино.

Стандартна модель ґрунтувалася на припущенні відсутності маси в нейтрино. Це спрощення пояснювали попередніми експериментальними результатами, нібито справедливими за нульової маси нейтрино. Отже, Стандартна модель виявилася неповною, і всіх це влаштовувало — отак легко заткнули першу тріщину. Нині масивні нейтрино стали невід’ємною частиною Стандартної моделі, навіть якщо таке рішення — не єдине. Масивні нейтрино потребують інших нейтральних об’єктів з великими масами — саме в цьому напрямку повинні відбуватися експерименти.

Знайдені маси здаються мізерними порівняно з масами інших частинок. Вага найтяжчого з-поміж трьох нейтрино складає лише одну мільйонну від ваги електрона або дві мільярдні від ваги протона. Одне нейтрино, якому пощастило не зникнути після Великого вибуху, набагато більше, ніж інших частинок матерії, тож у сукупності їхні надмалі маси тотожні загальній масі всіх зірок у всіх галактиках.

В основі детектора «СуперКаміоканде» лежить ефект Черенкова. Цей метод ґрунтується не на іонізації, як усі інші техніки, описані на сьогодні. Йдеться про послідовний ефект, що утворюється під час перетинання зарядженою частинкою прозорого середовища та її поширенням зі швидкістю, більшою за швидкість світла в такому середовищі. Швидкість світла у вакуумі — найвища швидкість, досягнути якої не може ніщо, крім частинок без маси, а на практиці — лише фотонів. Добре відомо, що ця швидкість дорівнює 300 тис. км/с. Проте в іншому середовищі швидкість світла набагато нижча. Скажімо, у воді вона дорівнює 220 тис. км/с, а енергетична частинка може з легкістю подолати і цю межу. Цей факт безпосередньо пов’язаний із заломленням — явищем, коли, приміром, заломлюється зображення весла у воді.

Нейтрино з достатньою енергією може звільнити електрон атома молекули води. Якщо електрон має енергію в кілька МеВ, то можна перевірити умови випромінювання Черенкова. У воді він утворить синюватий спалах уздовж конуса, що слідує траєкторії частинки. Це схоже на звуковий удар від надзвукового літака. Саме це світло буде відкрите у рурках фотоелектронних помножувачів.

У 1958 р. Нобелівською премією було відзначено Павла Олексійовича Черенкова — за відкриття цього ефекту, Іллю Михайловича Франка та Ігора Євгеновича Тамма — за його тлумачення. Доти за визначення мас нейтрино жодної Нобелівської премії не вручали, але премія 2002 р. увінчала і це досягнення. Реймонда Девіса Молодшого та Масатосі Косібу відзначили за «фіксацію космічних нейтрино». Косібу вшанували не лише за експеримент на «СуперКаміоканде», а й за давніший дослід на «Каміоканде», який мав великий шанс знову запрацювати — адже після вибуху наднової зірки линув потужний потік нейтрино.

Кульмінація

Тепер усі учасники начебто на своїх місцях. Нам відомо про 12 елементарних складників і про їхніх партнерів у антисвіті, а також про бозони, що пояснюють їхні взаємодії. Залишається здійснити деякі додаткові обрахунки, аби вдосконалити знання якостей елементарних об’єктів, та деякі досліди вже намагаються уточнити значення важливих параметрів. Ідеться, передусім, про доповнення нашого бачення панівної моделі, яку ще ніколи не піддавали сумніву — навіть маси нейтрино швидко знайшли в ній своє місце — та відомої як Стандартна модель частинок.

Загальний висновок із виконаної роботи — дуже позитивний, проте модель має слабкі місця, що потребують глибших досліджень. Стандартну модель не можна сприймати як остаточну. Це лише приблизна схема низької енергії — набагато повнішої та складнішої теорії. Причини такого ґрунтуються не лише на теоретичних розрахунках, а й на експериментальних загадках, нещодавно виявлених астрофізиками.

Головна вада полягає, напевно, в тому, що забагато приблизних параметрів. Є 19 вільних значень, що поступово вводилися після кожного з відкриттів — це маси частинок, розкидані по широчезному спектру від 1 МеВ/с2 до 175 ГеВ/с2. Ці параметри варто було б уточнити. Модель не дає пояснення існуванню трьох поколінь складників — хіба необхідність вилучити можливість порушення ЗП. Вона не дозволяє зрозуміти досліджувані характеристики — заряд, масу і т. д. Стандартна модель справді пов’язує значення між собою. Завдяки цьому, відштовхуючись від отриманих результатів, передбачили існування с-кварка. Так само відкриття b-кварка привело до відкриття t-кварка, а частинка тау потребувала відповідника — нейтрино. Проте всі ці передбачення ґрунтувалися на уявленні про внутрішню когерентність. А хотілось би, щоб існувала теорія, яка передбачала б усі важливі параметри, відштовхуючись від серйозних принципів.

У цьому сенсі зрозуміло, що пояснення мас потребує нової частинки. Стандартна модель пропонує дієвий важіль: механізм Гіґґза, що обумовлює нову частинку — бозон Гіґґза49. Він лежить в основі диференціації мас елементарних частинок і дозволяє уніфікувати, не змішуючи, взаємодії в річищі теорії електромагнітної та слабкої взаємодії. Феноменологію бозона Гіґґза вже розписано, вже відомо про ефективний переріз його продуктивності, про способи розпаду, проте є непевність щодо маси. Механізм Гіґґза ще не випробувано експериментально, він уже викликає заперечення як надто ad hoc (спеціалізований), щоби застосовуватися для уніфікації всіх головних взаємодій. Справді, механізм Гіґґза викликає потребу уточнення параметрів — це додало б йому правдоподібності.

До теорії не інтегровано сили тяжіння — це також велика лакуна. Порівняно з квантовим тлумаченням гравітації нинішня Стандартна модель — це регрес. Один із найбільших викликів, що стоять перед теперішнім поколінням учених, — примирити гравітацію з квантовою механікою. Одначе гравітація — це основна сила, що діє у Всесвіті, адже саме вона відповідає за астрофізичні явища. Це була перша сила, обрахована Ньютоном. Залишається концептуальна проблема когерентності — досі не існує наукових рамок, у яких гравітація могла би тлумачитися нарівні з іншими силами.

Уже вивчаються спроби уніфікації всіх взаємодій. З’являються гідні, але ще недостатньо передбачливі сценарії. Теорія схиляється в бік ідеї про струни. Елементарні складники вже не є точковими об’єктами — вони посідають просторовий об’єм. Усі вони могли би походити від одної струни, типи вібрації якої пояснювали б розмаїття частинок. Як наслідок, ця теорія передбачає існування величезної кількості Всесвітів, що активізує антропогенні версії творіння.