Неразбории около слънчевото неутрино

Браян Кобърлейн

Частиците неутрино са може би най-загадъчните частици във Вселената.

Те са открити през 50-те години на миналия век като продукт на ядрения разпад, но може да са продукт и на ядрения синтез.

Поради това огромно количество неутрино се произвеждат във вътрешността на Слънцето в резултат на ядрените реакции, протичащи там.

Този факт превръща Слънцето в отличен кандидат за развитие на неутринната астрономия. Но още със започването на наблюденията върху слънчевите неутрино през 60-те години се появява и загадката, известна като „проблема слънчево неутрино“.

Решението на този проблем е намерено едва в края на 90-те години. От това решение става ясно, че неутриното е много по-странна частица, отколкото сме си представяли.

Проблемът слънчево неутрино се състои във факта, че наблюдаваният неутринен поток, идващ от Слънцето, е само около една трета от очаквания поток. Това означава, че или нашето разбиране за ядрения синтез в Слънцето е много погрешно, или нещо странно се случва с неутриното.

Известно е, че електронът притежава двама по-тежки „братя“ – мюона и тауона. На всеки от тримата „братя“ съответства по едно неутрино – електронно, мюонно и тауонно. Тоест има три типа или, както се наричат, три аромата неутрино. От друга страна, наблюдаваният неутринен поток от Слънцето е равен на една трета от очаквания. Съвпадението на тези факти навежда на мисълта, че те по някакъв начин са свързани. Защо? По следните причини:

Ранните неутринни детектори са можели да регистрират само електронното неутрино. Следователно, ако Слънцето произвеждаше равни количества от трите аромата, то това би решило проблема с недостига. Обаче Слънцето не може да произвежда всичките три аромата. Ядрените реакции в неговата вътрешност произвеждат само електронно неутрино.

Едно очевидно решение е да се предположи, че някои от електронните неутрино променят аромата си. Тоест превръщат се в някой от другите типове. Според добре установения Стандартен модел обаче неутриното (и трите аромата) би трябвало да е безмасова частица. При това положение всички неутрино би трябвало да се движат със скоростта на светлината и няма как да променят аромата си.

Разбира се, ако неутриното има маса, то може да променя аромата си. Тази възможност обаче ни принуждава да приемем, че неутринната маса не е такава проста величина, с каквато сме свикнали да боравим, когато става дума за обикновените частици.

В Стандартния модел неутриното се управлява от електрослабите сили, които са обединение на електромагнитните сили (действащи между електрическите заряди) и слабите сили (управляващи радиоактивния разпад). Електрослабият модел е квантова теория.

Съответно тук влизат в действие неща като принципа на неопределеността. В дадения случай този принцип се проявява в това, че ние можем да измерим или масата на неутриното, или неговия аромат, но не и двете едновременно. С други думи, можем да кажем, че неутриното има маса, но не можем да кажем, че неутрино с даден аромат (например електронното неутрино) има индивидуална маса.

Поради тази квантова неяснота ние винаги сме ограничени в знанието си за масата и аромата на неутриното. Според модела съществуват три вида неутринна маса (т.нар. масови собствени състояния) и три аромата (ароматни собствени състояния).

Ако ние знаем аромата на неутриното (електронно, мюонно или тауонно), тогава неговата маса е суперпозиция (квантова смесица) от трите вида маси. Ако ли пък знаем масата на неутриното, то неговият аромат е суперпозиция от трите аромата. Това, което отличава електронното от, да кажем, мюонното неутрино, е тяхната смесица от масови видове. Всеки аромат неутрино представлява специфична суперпозиция от различни масови собствени състояния.

Как неутриното с неясна маса решава проблема със слънчевото неутрино? Скоростите, с които се движат трите масови собствени състояния, леко се отличават една от друга. Ако едно електронно неутрино е продукт на ядрена реакция, то неговата суперпозиция от масови състояния постепенно ще се променя поради различните скорости на движение.

В квантовата теория всяко масово състояние има различна дължина на вълната и тези вълни започват да интерферират при промяната. Този ефект се нарича неутринна осцилация. В резултат на този ефект неутриното осцилира между различните аромати, докато пътува през Вселената, и шансът да бъде наблюдавано в един или друг аромат периодично се изменя.

Спрямо космическите мащаби разстоянието между Слънцето и Земята е относително късо и няма достатъчно време електронното неутрино да се „разводни“ от останалите аромати. Но тук на помощ идва друг осцилационен ефект, наречен резонансна неутринна конверсия, или MSW ефект (от имената откривателите му – Михеев, Смирнов и Волфенщайн). Този ефект се проявява при движение на неутриното през веществото.

В известен смисъл нещата са подобни на оптиката. При преминаване на светлина със сложен спектрален състав през оптично плътна среда (например стъкло) се наблюдава различно пречупване на отделните компоненти, тоест светлината се разлага на съставките си. Нещо такова става и с неутриното, когато преминава през веществото на Слънцето.

Процесът по образуване на смесица от три ароматни състояния се ускорява и при достигане на повърхността на Слънцето, трите аромата вече са практически в равни количества. Като резултат само около една трета от количеството неутрино, достигащо до Земята, се регистрира като електронно неутрино. И това е решението на проблема със слънчевото неутрино.

Разбира се, тук може да се възрази: Всичко това е един добре нагласен и заплетен модел, създаден просто за да обясни проблема. А силните твърдения изискват силни доказателства. Какво ни кара да сме сигурни, че неутриното с променящ се аромат и неясна маса е наистина решение? Ще отговорим на този въпрос в друг материал.