Кожну секунду кожного кожного дня вас обстрілюють трильйони на трильйони субатомних частинок, збиваючись з глибини космосу. Вони пробиваються крізь вас силою космічного урагану, вибухаючи майже зі швидкістю світла. Вони приїжджають з усього світу, у будь-який час дня і ночі. Вони проникають у магнітне поле Землі та нашу захисну атмосферу, як стільки масла.
І все-таки волосся на голові навіть не розпущене.
Що відбувається?
Маленький нейтральний
Ці крихітні кулі називають нейтрино - термін, придуманий у 1934 році геніальним фізиком Енріко Фермі. Слово розпливчасто італійське для "мало нейтрального", і їх існування було висунуто гіпотезою, щоб пояснити дуже цікаву ядерну реакцію.
Іноді елементи відчувають себе трохи… нестабільно. І якщо вони занадто довго залишаються в спокої, вони розпадаються і перетворюються на щось інше, щось трохи світліше на періодичній таблиці. Крім того, вискочило б трохи електрона. Але у 1920-х роках ретельні та детальні спостереження за тими розпадами виявили крихітні, нігтьові розбіжності. Загальна енергія на початку процесу була трохи меншою, ніж енергія, що виходить. Математика не склалася. Незвичайно.
Так, кілька фізиків приготували абсолютно нову частинку з цілої тканини. Щось, щоб захопити відсутню енергію. Щось маленьке, щось легке, щось без заряду. Щось, що могло б непомітно проскочити через їхні детектори.
Маленький, нейтральний. Нейтрино.
Ще декілька десятиліть знадобилося, щоб підтвердити своє існування - ось наскільки вони слизькі, хитрі та підступні. Але в 1956 році нейтрино приєдналося до зростаючої родини відомих, виміряних, підтверджених частинок.
І тоді справи стали дивними.
Улюблений аромат
Проблема почалася з відкриттям мюона, який збіг випадково стався приблизно в той самий час, коли ідея нейтрино почала завойовуватися: 1930-ті. Мюон майже точно схожий на електрон. Така ж зарядка. Те саме віджимання. Але це по-різному важливо: він важчий, більш ніж у 200 разів масивніший, ніж його побратими, електрон.
Мюони беруть участь у власних конкретних реакціях, але, як правило, тривають недовго. Через свою вражаючу масу вони дуже нестабільні і швидко розпадаються на зливи дрібніших шматочків (тут "швидко" означає протягом мікросекунди чи двох).
Це все добре і добре, тож чому мюони вписуються в історію нейтрино?
Фізики помітили, що реакції розпаду, які припускали існування нейтрино, завжди вискакували електронами, а ніколи - мюонами. В інших реакціях мюони вискакують, а не електрони. Щоб пояснити ці висновки, вони обґрунтували, що нейтрино завжди узгоджується з електронами в цих реакціях розпаду (а не будь-який інший вид нейтрино), а електрон, мюон повинен з'єднуватися з ще нерозкритим типом нейтрино… Зрештою, електрон -дружнє нейтрино не змогло б пояснити спостереження від подій мюона.
І так полювання тривало. І далі. І далі. Лише в 1962 році фізики нарешті отримали замок на другому типі нейтрино. Спочатку його називали "нейтретто", але більш раціональні голови переважали за схемою називання його мюон-нейтрино, оскільки воно завжди спарювалося в реакціях з мюоном.
Шлях Дао
Гаразд, так підтвердили два нейтрино. Чи природи нам більше було в запасі? У 1975 році дослідники Стенфордського лінійного акселераторного центру сміливо просіли гори монотонних даних, щоб виявити існування ще більш важкого побратима на спрытного електрона і здоровенного мюона: оскорблений тау, що впадає в колосальну 3500 разів більше маси електрона . Це велика частка!
Тож відразу постало питання: Якщо є сім'я з трьох частинок, електрона, мюона та тау ... чи може бути третє нейтрино, щоб з’єднатись із цією новоспеченою істотою?
Можливо, може й ні. Можливо, є лише два нейтрино. Можливо, їх четверо. Можливо, 17. Природа точно не виправдала наших очікувань раніше, тому немає причин починати зараз.
Пропускаючи багато жахливих деталей, протягом десятиліть фізики переконували себе, використовуючи різні експерименти та спостереження, що третє нейтрино повинно існувати. Але тільки до краю тисячоліття, у 2000 році, спеціально розроблений експеримент у Фермілабі (з гумором називається експеримент ДОНУТ, для прямого спостереження НУ Тау, і ні, я це не складаю) нарешті отримав достатньо підтверджених прицілів, щоб правильно заявити про виявлення.
Переслідування привидів
Отже, чому ми так дбаємо про нейтрино? Чому ми переслідували їх понад 70 років, починаючи з Другої світової війни до сучасної епохи? Чому покоління вчених були настільки захоплені цими маленькими, нейтральними?
Причина в тому, що нейтрино продовжує жити поза нашими очікуваннями. Тривалий час ми навіть не були впевнені, що вони існують. Довгий час ми переконувались, що вони повністю безмасштабні, поки експерименти не дратували відкриття, що вони повинні мати масу. Саме "скільки" залишається сучасною проблемою. І у нейтрино є ця дратівлива звичка змінювати характер під час подорожі. Це правильно, оскільки нейтрино подорожує в польоті, воно може перемикати маски серед трьох ароматів.
Навіть там може бути додаткове нейтрино, яке не бере участь у звичайних взаємодіях - те, що відоме як стерильне нейтрино, на яке фізично голодують фізики.
Іншими словами, нейтрино постійно кидає виклик усьому, що ми знаємо про фізику. І якщо є одне, що нам потрібно, і в минулому, і в майбутньому, це хороший виклик.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар Запитайте космонавта і Космічне радіо, і автор Ваше місце у Всесвіті.
