Жизнь и идеи Бруно Понтекорво - Михаил Сапожников

class="p1">«Недавно рассматривался вопрос о том, есть ли еще какие-либо смешанные нейтральные частицы, кроме К0-мезонов, то есть частицы, отличающиеся от античастиц, у которых переходы между частицей и античастицей не являются полностью запрещенными. Было отмечено, что такими смешанными частицами могут быть нейтрино, и, соответственно, могут быть реальные переходы нейтрино-антинейтрино в вакууме, если лептонный заряд не сохраняется. Это означает, что нейтрино и антинейтрино – смешанные частицы, то есть симметричная и антисимметричная комбинация двух истинно нейтральных майорановских частиц ν1 и ν2 с разной СР-четностью».

Что такое майорановские частицы? В 1937 г. Этторе Майорана, который так же как и Бруно работал в группе Ферми, написал историческую статью о том, что могут существовать фермионы, у которых частица совпадает с собственной античастицей.

Рис. 34-4. Дираковские (а) и майорановские (б) фермионы.

Обычный электрон с отрицательным зарядом не может быть идентичен своей античастице – позитрону, у которого положительный электрический заряд. Поэтому заряженные фермионы подчиняются теории Дирака и существуют в четырех состояниях. Однако для нейтрино, у которого нет электрического заряда, не исключена возможность, что оно совпадает со своей античастицей. Тогда нейтрино можно описать только двумя состояниями с различными спиральностями – левой и правой (см. Рис. 34-4 б).

Эта более экономная теория очень нравилась Бруно. Его объяснение «неправильного» опыта Дэвиса сводится к осцилляциям правого антинейтрино в правое нейтрино:

ν—R → νR (29)

Причем «истинными» нейтрино – частицами c определенной массой, как четко указано в статье Понтекорво, являются майорановские частицы ν1 и ν2. Симметричная и антисимметричная комбинация этих частиц дают флейворные нейтрино ν и антинейтрино ν—, которые участвуют в слабых взаимодействиях. Например, испускаются в процессах бета-распада или распадах мезонов. Связь между ними полностью аналогична соотношениям (25), которые связывают «истинные» частицы K10 и K20 с их комбинациями K0 и K—0. Наглядно это сходство можно показать в Таблице 34-1.

Таблица 34-1. Сравнение структуры К-мезонов и нейтрино.

Таким образом, подобно тому, как K0 переходит K—0, так и нейтрино может переходить в антинейтрино и обратно.

Правильные предсказания

В чем важность этой эпохальной статьи? Главное, конечно, основная идея – впервые высказано предположение о самой возможности существования осцилляций нейтрино.

С. М. Биленький вспоминал [45], что идея Бруно об осцилляциях нейтрино была исключительно смелой, поскольку в середине пятидесятых годов 99 процентов физиков были уверены, что нейтрино – безмассовая частица. С точки зрения теории двухкомпонентного нейтрино, гипотеза Бруно о переходе антинейтрино в нейтрино была просто ересью. Однако, несмотря на то, что вера в особый статус нейтрино держалась, наверное, лет двадцать, прав оказался все же Бруно. Красивая теория двухкомпонентного нейтрино сегодня отправлена в музей неподтвердившихся физических моделей, которые в природе не реализуются.

В статье [106] содержится еще целый ряд нетривиальных предсказаний. Впервые было предложено искать осцилляции нейтрино в реакторных экспериментах. Бруно отметил, что в опытах по детектированию реакторных антинейтрино может возникать дефицит антинейтрино за счет того, что за время прохождения до детектора часть антинейтрино перейдет в нейтрино. Поэтому он предложил выполнить опыты на разных расстояниях от реактора. Эта идея породила множество экспериментов, которые стали проводиться еще при жизни Бруно. Однако первые результаты измерений были не вполне однозначными.

Другая замечательная идея в этой статье – поиск осцилляций в нейтрино из космоса. Бруно отмечает: «Эффект переходов нейтрино в антинейтрино и обратно может быть ненаблюдаем в лаборатории, но будет обязательно существовать, по крайней мере, на астрономических масштабах».

Как мы увидим, из этой ремарки вырастет изучение солнечных и атмосферных нейтрино. И это предвидение Бруно блестяще подтвердится в будущих экспериментах.

Наконец, допущение майорановской природы нейтрино. Как мы говорили, Бруно рассматривал осцилляции майорановских нейтрино. Удивительно, но мы до сих пор не знаем нейтрино – это майорановская или дираковская частица! Многочисленные эксперименты не дали однозначного ответа.

Важно подчеркнуть, что конкретный вариант осцилляций, предложенный Бруно в 1957–1958 гг., в природе, по-видимому, не осуществляется[37]. Осцилляций нейтрино-антинейтрино (пока) не обнаружено, но есть осцилляции между флейворными нейтрино – электронными, мюонными и тау-нейтрино. Они действительно похожи на то, что происходит в системе нейтральных К-мезонов. Именно переходы между флейворными нейтрино приводят к осцилляциям реакторных и солнечных нейтрино, а не переходы нейтрино-антинейтрино, как думал Бруно в пятидесятых годах. Однако в то время известно было только о существовании одного сорта нейтрино, и ничего другого Бруно предложить не мог. Главное, основная физическая идея – интерференция состояний с близкой массой – была предложена (угадана?) абсолютно правильно.

Историкам науки наверняка понравится эта интересная ситуация, когда рассмотрение неправильного эксперимента привело к нетривиальным теоретическим идеям.

Неверное допущение МНС

А в это время, в конце 50-х годов, в Японии получила развитие теория элементарных частиц, разрабатываемая видным японским теоретиком С. Сакатой совместно с З. Маки и М. Накагавой (будем называть их группой МНС). Их основная идея состояла в том, что протон, нейтрон и Λ-гиперон являются составными частицами. Состоят они из лептонов и некоторой неизвестной материи В+. Протон состоит из нейтрино и B+, нейтрон – из электрона и B+, Λ-гиперон – из мюона и B+.

p = (ν B+), n = (e— B+), Λ = (μ— B+) (30)

То есть, по их представлениям, нейтрино являлось составной частью протона. Сейчас это кажется полным абсурдом, да и в те времена предложение МНС выглядело диковато. Когда З. Маки рассказывал об этой модели в 1962 г. на Рочестерской конференции в Женеве [107], его спросили: «Вы, конечно же, знаете, что если пытаться ввести В-поле, чтобы связать барионы из лептонов, то нужно настолько сильное поле, что слабые распады частиц станут слишком сильными?» З. Маки ответил: «Действительно, если бы В-поле было обычным бозонным полем, то была бы такая трудность. Но мы думаем, что B-поле не может быть описано обычным квантовым полем». Как изящно! Вводим «необычное поле» – и все трудности решены.

Но причем здесь осцилляции нейтрино? Оказывается, МНС прочитали статью Бруно [99] о возможности существования двух типов нейтрино и обеспокоились вопросом: а что если действительно есть два сорта нейтрино? Куда же девать второе нейтрино? В состав какого бариона оно входит?

Для решения этого вопроса, они предположили [108]:

«истинные нейтрино, входящие в состав соответствующего бариона (курсив – мой), не обязательно являются нейтрино, участвующими в слабых взаимодействиях».

Если выбросить слова, выделенные курсивом, то получается совершенно правильное утверждение. МНС предположили, что истинные нейтрино – частицы с определенной массой – отличаются от флейворных νe и νμ и являются их линейными комбинациями:

ν1= νe cosθ