Каждую секунду каждого дня вас бомбардируют триллионы на триллионы субатомных частиц, падающих из глубин космоса. Они пронзают вас силой космического урагана, проносясь почти со скоростью света. Они приходят со всего неба, в любое время дня и ночи. Они проникают сквозь магнитное поле Земли и нашу защитную атмосферу, как масло.
И все же волосы на макушке даже не взъерошены.
Что происходит?
Маленькая нейтральная
Эти крошечные пули называются нейтрино, термин, придуманный в 1934 году блестящим физиком Энрико Ферми. Слово смутно итальянское означает «мало нейтральный», и их существование было предположено, чтобы объяснить очень любопытную ядерную реакцию.
Иногда элементы чувствуют себя немного ... нестабильно. И если они слишком долго остаются одни, они распадаются и превращаются во что-то еще, что-то более легкое в таблице Менделеева. Кроме того, маленький электрон выскочил бы. Но в 1920-х годах тщательные и подробные наблюдения за этими распадами обнаружили крошечные, нерешительные расхождения. Общая энергия в начале процесса была чуть больше, чем энергия, выходящая. Математика не складывается. Странный.
Итак, несколько физиков создали совершенно новую частицу из цельной ткани. Что-то, чтобы унести недостающую энергию. Что-то маленькое, что-то легкое, что-то без заряда. То, что могло проскользнуть сквозь их детекторы незамеченным.
Маленький, нейтральный. Нейтрино.
Потребовалось еще пара десятилетий, чтобы подтвердить их существование - насколько они скользкие, коварные и хитрые. Но в 1956 году нейтрино присоединились к растущему семейству известных, измеренных, подтвержденных частиц.
А потом все стало странно.
Любимый аромат
Беда начала назревать с открытием мюона, которое, по совпадению, произошло примерно в то же время, когда идея нейтрино начала распространяться: 1930-е годы. Мюон почти как электрон. Тот же заряд. Тот же спин. Но он отличается одним важным способом: он тяжелее, в 200 раз массивнее, чем его родной брат, электрон.
Мюоны участвуют в своих специфических реакциях, но обычно не длятся долго. Из-за своей внушительной массы они очень нестабильны и быстро распадаются на осадки меньших битов (здесь «быстро» означает микросекунду или две).
Это все хорошо, так почему мюоны фигурируют в истории нейтрино?
Физики заметили, что в реакциях распада, которые предполагали существование нейтрино, всегда появлялся электрон, а не мюон. В других реакциях выскочат мюоны, а не электроны. Чтобы объяснить эти результаты, они пришли к выводу, что нейтрино всегда совпадают с электронами в этих реакциях распада (а не с любым другим видом нейтрино), в то время как электрон, мюон должен спариваться с еще не обнаруженным типом нейтрино ... В конце концов, электрон дружественное нейтрино не сможет объяснить наблюдения мюонных событий.
И так охота продолжалась. И дальше. И дальше. Только в 1962 году физики наконец-то получили блокировку второго вида нейтрино. Первоначально его называли «нейтретто», но более рациональные головы преобладали в схеме, называющей его мюон-нейтрино, так как он всегда сочетался в реакциях с мюоном.
Путь Дао
Итак, два подтвержденных нейтрино. У природы было что-то еще для нас? В 1975 году исследователи из Стэнфордского центра линейных ускорителей храбро перебрали горы монотонных данных, чтобы выявить существование еще более тяжелого брата с ловким электроном и здоровенным мюоном: неуклюжий тау, набравший в 3500 раз большую массу электрона , Это большая частица!
Поэтому сразу же возник вопрос: если есть семья из трех частиц: электрон, мюон и тау ... может ли существовать третье нейтрино, связанное с этим новым существом?
Может быть, а может и нет. Может быть, есть только два нейтрино. Может быть, четыре. Может быть, 17. Природа не оправдала наших ожиданий раньше, поэтому нет причин начинать сейчас.
Пропустив множество ужасных деталей, за десятилетия физики убедили себя, используя различные эксперименты и наблюдения, что должно существовать третье нейтрино. Но только в конце тысячелетия, в 2000 году, специально разработанный эксперимент в Фермилаб (с юмором названный экспериментом DONUT, для прямого наблюдения за NU Tau, и нет, я не придумываю это) наконец получил достаточно подтвержденных наблюдений, чтобы справедливо заявить об обнаружении.
В погоне за призраками
Итак, почему мы так заботимся о нейтрино? Почему мы преследовали их более 70 лет, от Второй мировой войны до современной эры? Почему поколения ученых были так очарованы этими маленькими, нейтральными?
Причина в том, что нейтрино продолжают жить вне наших ожиданий. Долгое время мы даже не были уверены, что они существуют. В течение долгого времени мы были убеждены, что они были полностью безмассовыми, пока эксперименты досадно не обнаружили, что они должны иметь массу. Именно "сколько" остается современной проблемой. И нейтрино имеют эту досадную привычку менять характер во время путешествий. Это верно, поскольку нейтрино путешествует в полете, оно может переключать маски между тремя разновидностями.
Может даже существовать дополнительное нейтрино, которое не участвует ни в каких обычных взаимодействиях - что-то, известное как стерильное нейтрино, на которое физически охотятся охотники.
Другими словами, нейтрино постоянно бросают вызов всему, что мы знаем о физике. И если есть что-то, что нам нужно, и в прошлом, и в будущем, это хороший вызов.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин Спроси космонавта и Космическое Радиои автор Ваше место во Вселенной.
