Загадка малых масс нейтрино

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 47-48 (2020)

• Как изучение нейтрино поможет физикам выйти за пределы Стандартной модели?
• Почему вначале ученые не верили, что нейтрино обладает массой?
• Как Бруно Понтекорво пришел к идее нейтринных осцилляций?
• Как возник и развивался Объединенный институт ядерных исследований?

Об этом в интервью Яну Махонину рассказал профессор Самоил Михелевич Биленький, советник при дирекции Лаборатории теоретической физики ОИЯИ. Это было последнее интервью выдающегося ученого, замечательного педагога и обаятельного человека. Он ушел из жизни 5 ноября 2020 года в возрасте 92 лет.

Расширение Стандартной модели

- На ваш взгляд, каковы перспективы развития физики за пределами Стандартной модели?

- На самом деле это не модель, а теория. Она основана на надежных принципах, и все, что она предсказывает, наблюдается на опыте. Самое яркое подтверждение Стандартной модели - открытие бозона Хиггса в 2012 году. Это настолько большое открытие, что буквально на следующий год Хиггс и Энглер получили Нобелевскую премию. Стандартная модель действительно описывает природу. 

В ЛТФ ОИЯИ (1966). Фото П.Зольникова

- Какую роль в поиске новой теории может сыграть нейтрино?

- Мы думаем, что наблюдение осцилляций нейтрино, которое означает, что у нейтрино есть массы, - это наблюдение эффектов теории Beyond the Standard Model. Мы точно не знаем значения всех масс, но мы знаем, что масса самого тяжелого нейтрино приблизительно равна 0,1 электронвольта (эВ). Существует проблема иерархии масс, и она будет решаться нейтринными экспериментами.

- Может ли Стандартная модель объяснить значение массы нейтрино?

- На самом деле она массы не объясняет. Существует хиггсовский механизм, который генерирует массы таких частиц, как кварки и лептоны. Значение масс Стандартная модель не может предсказать. Нейтринные массы не могут быть генерированы хиггсовским механизмом - должен быть другой механизм. Нужно построить другую теорию, в которой такой механизм существует.

- Есть ли факты, подтверждающие существование нового механизма?

- Eсть три генерации кварков и лептонов. У всех частиц, включая нейтрино, есть массы. Однако мы не очень понимаем, почему электрон такой легкий, а топ-кварк и тау-лептон - такие тяжелые. Мы не очень понимаем структуру масс. Мы не знаем также, почему существует три генерации (а не четыре или одна). Однако мы можем сказать, что массы нейтрино выделяются: они на двенадцать порядков меньше, чем массы кварков и лептонов. Это означает, что должен быть специальный механизм генерации масс нейтрино. Мы должны понять, почему массы нейтрино настолько меньше по сравнению с массами остальных частиц. Это главное, что мы должны объяснить.

- Возможные объяснения уже существуют?

- В принципе, да. Многие из них включают экзотические возможности: дополнительное число степеней свободы, дополнительное измерение пространства (не четыре, а больше), струны и т.д. Однако если оставаться в рамках более обычных теорий, то, с моей точки зрения, самое убедительное физическое объяснение состоит в том, что малые массы нейтрино свидетельствуют о существовании Новой физики вне Стандартной модели, физики частиц с тяжелыми массами. (Эти тяжелые массы задают масштаб Новой физики.) Все это трудно проверить количественно, но все-таки мы верим, что тяжелые частицы существуют.

- Допустим, это так. Как в таком случае объясняется масса нейтрино?

- Грубо говоря, масса нейтрино дается произведением стандартной массы (лептонов и кварков) на некий фактор, который представляет собой отношение двух масштабов: того, который определяет Стандартную модель, и того, который определяет Новую физику. Масштаб, который определяет Стандартную модель, известен: 246 гигаэлектронвольт (ГэВ). Это число определяет константа Ферми. А вот новый масштаб нам неизвестен. Но если мы предположим, что он большой, мы сразу понимаем, почему массы нейтрино, которые генерируются новым механизмом, малы по сравнению с массами лептонов и кварков. Мы можем попытаться оценить новый масштаб: порядка 10¹⁴ ГэВ.

- Это можно доказать экспериментально?

- Нейтрино - частица, которая не обладает электрическим зарядом. Это позволяет изучать с помощью нейтрино физику очень больших масштабов - как я уже сказал, порядка 10¹⁴ ГэВ. Такие энергии недоступны и никогда не будут доступны на Земле, информацию о физике на таких масштабах мы можем получить только из космологии. Наблюдения нейтрино играют здесь большую роль. С моей точки зрения, есть два типа экспериментов, которые позволят проверить эту точку зрения. Один тип - это эксперименты по наблюдению безнейтринного двойного бета-распада ядер (GERDA, NEMO, CUORE и другие). Это исключительно важный процесс. Если он будет наблюден, то это будет означать, что нейтрино являются частицами Майораны.

- Каковы их отличительные свойства?

- Есть два типа частиц, которые мы называем фермионами. Один тип - это дираковские частицы, такие как электроны, мюоны, кварки и другие. Они характеризуются тем, что у каждой частицы есть соответствующая античастица, отличающаяся от частицы знаком электрического заряда: например, электрон и позитрон, кварк и антикварк и так далее. Второй тип фермионов - это частицы Майораны. У этих частиц нет античастиц - частицей Майораны может быть только частица с равным нулю зарядом. Когда частицы обладают электрическим зарядом, работает общая теорема квантовой теории поля: если есть частица с зарядом минус, должна быть античастица с зарядом плюс. Нейтрино - единственная частица, которая может быть частицей Майораны. Фактически, благодаря этому нейтрино позволяют исследовать физику на очень больших масштабах. Это поиск физики на очень малых расстояниях, или на очень больших энергиях.

Изучение безнейтринного двойного бета-распада в лаборатории CUORE
(Cryogenic Underground Observatory for Rare Events), Италия.
cuore.lngs.infn.it

- Почему так важен безнейтринный двойной бета-распад?

- Это единственный процесс, изучение которого позволит нам сказать, являются ли нейтрино дираковскими или майорановскими частицами. Если безнейтринный двойной бета-распад будет наблюден, тогда подтвердится, что нейтрино - майорановские частицы. Если нет, ничего сказать нельзя.

- Какую роль в изучении этого процесса играют ученые ОИЯИ?

- Дубна вносит большой вклад в эти эксперименты. В экспериментах GERDA, NEMO и других участвуют ученые из Дубны. Один из главных специалистов по теории этого процесса - словацкий физик Федoр Шимковиц, который работает в ОИЯИ. Его вклад в теорию безнейтринного двойного бета-распада трудно переоценить; он вычисляет матричные элементы и многое другое.

- Вы упомянули второй тип важных экспериментов, которые позволят нам продвинуться в понимании природы масс нейтрино. Что он собой представляет?

- Это поиск так называемых стерильных (т.е. невзаимодействующих) нейтрино. Много лет назад на нейтринном детекторе в Лос-Аламосе наблюдались переходы обычных мюонных антинейтрино в стерильные состояния. Мы можем увидеть эффекты стерильных нейтрино, наблюдая осцилляции нейтрино на коротких расстояниях. Есть много экспериментов, в ходе которых стерильные нейтрино как будто наблюдаются, однако во многих экспериментах их не видят. Пришло время окончательно установить, существуют стерильные нейтрино или нет. Один из лучших реакторных экспериментов, который, возможно, позволит нам ответить на этот вопрос, ведут на Калининской АЭС ученые из Дубны - он называется DANSS. К большому сожалению, один из главных участников этого эксперимента Вячеслав Егоров недавно умер. Это большая потеря для Дубны и физики вообще.

Взгляд в прошлое: работа с Бруно Понтекорво

- Расскажите, пожалуйста, как вы отнеслись к предложенной Бруно Понтекорво в 1957 году идее нейтринных осцилляций?

- Тогда я совершенно не интересовался нейтрино. Я начал заниматься физикой нейтрино с Бруно Максимовичем только в 1970 году. Вообще, в течение многих лет осцилляциями нейтрино никто не интересовался, потому что физики твердо верили, что у нейтрино нет массы; а если массы нет, то и осцилляции невозможны. Наше сотрудничество с Бруно Максимовичем было связано с совсем другой проблемой. В это время появился препринт работы очень известного американского физика Фредерика Рейнеса, который впервые наблюдал нейтрино и впоследствии получил за эти исследования Нобелевскую премию. Он опубликовал весьма странную экспериментальную работу, в которой измерял рассеяние нейтрино на электронах. Сечение этого процесса у него оказалось в двести раз больше, чем предсказывалось теорией. Это вызвало недоумение и огромный интерес, в частности у Бруно Максимовича.

- Какова была его реакция?

- Он эту работу Рейнеса изучил и рассказал о ней на семинаре в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Я был на этом семинаре и, когда он закончился, решил обсудить с Бруно Максимовичем вопрос о том, как могли появиться такие результаты. Тогда я был еще далек от изучения нейтрино, но, тем не менее, спросил у Бруно Максимовича, не может ли это быть результатом сильного взаимодействия между нейтрино. Вначале он особо не отреагировал, практически ничего не ответил. А на следующее утро позвонил и сказал: "Знаете, это очень интересная идея, давайте над этим работать". И мы начали работать.

- В чем заключалась ваша работа?

- Даже людям, далеким от нейтрино, было понятно, что мы ничего не знаем о взаимодействии нейтрино между собой. Взаимодействие нейтрино с протонами и электронами было известно - по крайней мере, теоретически. Мы начали думать, какие опыты позволили бы получить информацию о взаимодействии между нейтрино. Вскоре Рейнес нашел ошибку в своем эксперименте: оказалось, что довольно значительный гамма-фон давал электроны отдачи. Соответственно, результат Рейнеса исчез, но вопрос о взаимодействии между нейтрино - остался. И в течение двух лет мы с Бруно Максимовичем и моими студентами проверяли разные возможности. Из экспериментальных данных на тот момент можно было сделать заключение, что даже сильное взаимодействие между нейтрино не исключено. Опыты, которые мы предложили, были выполнены. Сейчас уже известно, что взаимодействие между нейтрино действительно слабое.

- Вы продолжали сотрудничать с Понтекорво и по другим направлениям?

- У нас еще не было совместных работ, но мы с ним оставались очень дружны. Он меня приглашал во всякие поездки. Понтекорво любил разные виды спорта, в частности охоту с подводным ружьем на рыб. В одной из таких поездок мы начали обсуждать - сначала в машине, а потом у костра - осцилляции нейтрино. Возникли всякие идеи. Потом, в 1975-м, мы начали вместе работать над осцилляциями нейтрино. В 1977-м мы написали первый обзор. Работ на эту тему тогда было мало - физики по-прежнему не верили в осцилляции нейтрино. Вплоть до 1989-1990 годов мы с Понтекорво довольно много работали - практически каждый день - над проблемой масс, смешивания и осцилляций нейтрино. Я часто приходил работать в его кабинет в Лаборатории ядерных проблем, и мы выпустили много совместных работ.

- Почему общий интерес к проблеме осцилляций нейтрино возник только на рубеже 1980-х годов?

- В начале 1980-х мы начали ставить специальные эксперименты по поиску осцилляций нейтрино. Я уже говорил, что значительный интерес к этой проблеме возник после опыта Рейнеса, который утверждал, что наблюдает осцилляции нейтрино. Впоследствии оказалось, что это был ошибочный эксперимент. Главный интерес к проблеме масс и осцилляций нейтрино возник в связи c теориями Великого объединения (Grand Unified Theories, GUT). (Тогда были очень модны теории, объединяющие слабые, электромагнитные и сильные взаимодействия.) В таких теориях, естественно, появляются массы нейтрино. Физики стали думать, что если увидеть эффекты массы нейтрино, то это будет свидетельствовать о правильности GUT. В 1970 году Реймонд Дейвис, самый большой американский энтузиаст исследования солнечных нейтрино, и его группа начали эксперимент, в котором они впервые наблюдали солнечные нейтрино и получили данные в пользу осцилляций нейтрино. В 2002 году за наблюдение солнечных нейтрино Дейвис получил Нобелевскую премию.

- Опыт Дейвиса был связан с предыдущими исследованиями Бруно Максимовича?

- Дейвис использовал радиохимический хлор-аргонный метод, который предложил Понтекорво в 1946 году. В его подземном эксперименте использовался большой детектор. Он наблюдал меньше нейтрино, чем предсказывала стандартная солнечная модель. Если всерьез воспринимать модель Солнца, то это кризис (его назвали Solar Neutrino Puzzle). Многие думали, однако, что "нехватка" солнечных нейтрино может быть связана с тем, что мы не до конца понимаем Солнце и не можем предсказать поток нейтрино от Солнца. Понтекорво результат Дейвиса воспринимал довольно серьезно и думал, что это эффект осцилляций нейтрино. Я его идею всячески поддерживал, и мы на эту тему написали статью. Потом оказалось, что это действительно так, но дело не только в осцилляции нейтрино. Главную роль играют эффекты когерентного рассеяния нейтрино в веществе Солнца, которые приводят к ослаблению потока солнечных нейтрино (так называемый эффект Михеева - Смирнова - Вольфенштейна).