Nobelio premija už neutrinų fizikos revoliuciją: N — neutrinai, M — mutabor

2015 metų Nobelio premija fizikos srityje skirta dviejų eksperimentinių grupių (Super-Kamiokande Collaboration ir Sudbury Neutrino Observatory Collaboration – SNO), tiriančių neutrinų – lengviausias, paslaptingas ir pačias nesugaunamiausias iš žinomų elementariųjų dalelių – savybes, vadovams – Takaaki Kajita ir Arthur B. McDonald. Jų išmatavimas amžių sandūroje įtikimai parodė, kad neutrinas, kurių žinomos trys rūšys (elektronų neutrinai (ν_e), miuonų neutrinai (ν_μ) ir tau neutrinai (ν_e)), gali osciliuoti – savaime tapti vienais iš kitų. Eksperimentinis šio fakto parodymas ir osciliacijos parametrų išmatavimas apvertė neutrinų fiziką aukštyn kojom ir sukėlė audringą šios fizikos srities pažangą.

Paaiškinsime tai tokia analogija. Prieš 20 metų neutrinų fizikoje vykusius įvykius galima palyginti su viduramžių keliautojų atrastu nauju kontinentu. Iš pradžių, pagal netiesioginius požymius, jie nuspėja, kad kažkur, toli už horizonto, yra didelė žemė. Daugelis bandė ten nuplaukti, tačiau grįždavo tuščiomis. Kokie turtai ir paslaptys ten plyti – likdavo fantazijomis. Ir tik kai kruopščiai suplanuotos pirmeivių ekspedicijos sugebėjo pasiekti šias nepasiekiamas žemes ir grįžti atgal, kai pateikė pirmą patikimą informaciją, kas ten slypi iš tiesų, tada sapnai ir fantazijos ėmė virsti realybe. Ir šia objektyvia informacija jau galima apginkluoti naujas ekspedicijas ir žingsnis po žingsnio atrasti naujus kraštus ir jo turtus.

Kažkas panašaus amžių sandūroje įvyko ir su neutrinų tyrimais. Viena vertus, fizikai jau seniai žinojo apie neutriną ir teoriškai ir eksperimentiškai. Už juos netgi fizikos Nobelio premijos buvo paskirtos: 1995 metų (neutrinų atradimas), 1988 metų (antrojo tipo – miuoninių neutrinų (ν_μ) atradimą), ir, kiek vėliau, pusę 2002 metų premijos už Saulės neutrinų atradimą. Fizikai puikiausiai suprato, kaip neutrinai sąveikauja su kitomis dalelėmis, – bet tuo pačiu nieko nenutuokė apie jų „asmeninį gyvenimą“. Jie nežinojo, ar neutrinai turi masę, ar virsta vieni kitais, ar šie virtimai pažeidžia kokius nors tvermės dėsnius, ir taip toliau. Visa tai fizikams buvo nežinoma žemynas, slepiantis savo netikėtumus ir keistenybes.

Viską dengė dvi neutrinų mįslės, jau porą dešimtmečių kamuojančios mokslininkus. Visų pirma, atmosferiniai neutrinai turėjo akivaizdžią bėdą. Kosminiai spinduliai atmosferoje sukuria miuonus, kiekvienas toks kūrybos aktas sukuria dar ir miuoninį neutriną (ν_μ). Po to miuonas, nepasiekęs žemės, suskyla, ir kiekvienas skilimas sukuria antrą ν_μ ir papildomai vieną ν_e. Todėl bendrame ν_μ ir ν_e sraute jų santykis turi būti 2:1. Tačiau nuo devintojo dešimtmečio eksperimentai rodo maždaug vienodą santykį, 1:1.

O antra, dešimtojo dešimtmečio pabaigoje visu rimtumu iškilo Saulės neutrinų problema. Neutrinai gimsta, vykstant termobranduolinei sintezei Saulės centre, atlekia iki mūsų, ir registruojami detektoriais. Saulės neutrinų srautas tiesiogiai priklauso nuo Saulės galios, o tai reiškia, jį galima suskaičiuoti teoriškai. Suskaičiavo, išmatavo (Homestake eksperimentas rinko statistiką 25 metus) – rezultatai skyrėsi trigubai. Vienu metu buvo šnairuojama į Saulės modelį, sakoma, kad ji nepakankamai gerai numato neutrinų srautą. Bet modelis buvo tobulinamas ir darėsi aišku, kad problemos nurašyti jos netobulumams neišeis. Vėliau įtarta, kad vos tik pavyks išmatuoti nedidelės energijos Saulės neutrinus, viskas stos į savo vietas. Išmatavo (galio–germanio eksperimentai GALLEX/GNO Italijoje ir SAGE Rusijoje) – vis vien galai nesuėjo.

Žodžiu, problemų nepavyko išspręsti niekaip kitaip, tik tarus, kad iš tiesų vyksta neutrinų osciliacijos. Tada atmosferinė anomalija turėjo būti aiškinama tuo, kad dalis ν_μ skriedami virsta kito tipo neutrinais (kokio konkrečiai – iš anksto nežinia). O Saulės mįslė turėtų būti sprendžiama taip: dalis ν_e, keliaudama iš Saulės gelmių, virsta ν_μ arba ν_τ, o kadangi tokie eksperimentai, kaip Homestake ir GALLEX fiksuoja tik ν_e, tai jie lieka nesuskaičiuoti.

Tačiau tam, kad tokia hipotezė virstų tikru paaiškinimu, o ne teoretikų fantazija, osciliaciją reikia užfiksuoti tiesiogiai. Būtent šis proveržis į „nežinomas žemes“ ir buvo atliktas matavimais, atliktais dešimtojo dešimtmečio pabaigoje Super-Kamiokande Japonijoje ir antrojo tūkstantmečio pradžioje SNO neutrinų observatorijoje Kanadoje, Ontarijo provincijoje.

Super-Kamiokande detektorius – didžiulė požeminė cisterna, užpildyta ultragrynu vandeniu ir jautriais fotodetektoriais. Jo veikimo principas kardinaliai skiriasi nuo „kaupiamųjų“ neutrinų detektorių. Įlekiantys neutrinai, susidurdami su atomu, virsta didelės energijos elektronu ar miuonu, ir sužimba Čerenkovo spinduliavimu – taip galima išmatuoti neutrino energiją ir šaltinio. Jei jau taip, tai galima tikrinti atmosferinių neutrinų srautą, ateinantį iš skirtingų Žemės atmosferos plotų: tiesiai virš detektoriaus, ar atokiau, už tūkstančių kilometrų nuo jo ar net priešingoje Žemės pusėje, juk neutrinai be problemų per Žemę lekia kiaurai.

Super-Kamiokande grupė, vadovaujama Takaaki Kajita, atliko šiuos matavimus ir 1998 m. publikavo nuostabius savo įtikinamumu rezultatus. Paaiškėjo, kad iš toli, iš kitos Žemės pusės atmosferos, miuoninių neutrinų atlekia smarkiai mažiau, nei iš viršaus (žr. pav. aukščiau). Jei nebūtų osciliacijų, šie srautai turėtų būti daugmaž lygūs. Iš toli atskriejančių ν_µ trūkumas reiškia, kad, keliaudama link detektoriaus, ženkli jų dalis spėjo virsti kitais neutrinais. Be to, aišku, į kokius: tai ne ν_e, kadangi jų srautas praktiškai nepakito; vadinasi, tai yra tau neutrinai (ν_e detektorius neaptinka).

Super-Kamiokande detektorius, susidorojęs su atmosferine mįsle, pabandė išsiaiškinti ir Saulės anomaliją. Tačiau bėda, kad nuo Saulės sklinda pernelyg mažos energijos neutrinai. Super-Kamiokande užregistruoti juos visgi sugebėjo, tiesa, kiek kitokiu būdu, tačiau negalėjo patikimai atskirti jų tipų. Šios užduoties ir ėmėsi kitas detektorius, SNO. Jame, kitaip, nei Super-Kamiokande, panaudotas ne paprastas, o sunkusis vanduo, su deuteriu. Taip galima iš karto registruoti tiek bendrą Saulės neutrinų srautą (atskrieja bet kurio tipo neutrinas, trenkia į deuterį ir suskaido jį į protoną ir neutroną), tiek ir elektroninę jų dalį (atskriejęs ν_e trenkiasi į deuterį ir suskaldo į du protonus, o pats pavirsta elektronu).

2001 metais SNO paskelbė savo matavimo rezultatus – ir viskas stojo į savo vietas. Bendras neutrinų srautas tikrai sutapo su Saulės modelio numatomu. Elektroninė dalis išties sudarė tik jo trečdalį – kas atitiko ankstesnės kartos tyrimų rezultatus. Taip Saulės neutrinai niekur neprašampa – tiesiog radęsi Saulės centre kaip ν_e, keliaudami link Žemės jie mutavo į kitos rūšies neutrinus.

Šie eksperimentai, o taip pat po jų kilusi kitų eksperimentų lavina – atmosferinių, kosminių, reaktorių, greitintuvų – ne tik išsprendė įsisenėjusias mįsles ir ne tik nustatė neutrinų osciliacijų faktą. Jie ėmėsi šių virsmų parametrų matavimų. Jie galiausiai prasiskverbė į neutrinų „asmeninio gyvenimo“ sritį, atrado fizikams visą „neutrininį žemyną“.

Viena iš svarbiausių neutrinų osciliacijos pasekmių – tai, kad neutrinai turi masę. Jei neutrinai masės neturėtų, osciliacijos vykti negalėtų. Negana to, pagal osciliacijų trukmę galima atkurti masių skirtumus. Jie pasirodė esantys labai maži, elektronvolto dalies dydžio eilės, milijonu skartų mažesni už elektrono masę. O tai praktiškai garantuotai išveda fizikus už dabartinio mikropasaulio vaizdo ribų – juk Standartiniame modelyje tokios mažos masės kokio nors protingo paaiškinimo neturi. Taip prasidėjo audringos neutrinų masės ir osciliacijos kilmės teorijos paieškos.

Dabar neutrinų fizika – galinga elementariųjų dalelių fizikos kryptis. Tiesiogiai aptikti įvairiausi vieno tipo neutrinų virtimo kitais tipai, išmatuotos visos osciliacijų tikimybės, sukurti – neperdedant! – šimtai skirtingų modelių už Standartinio modelio ribų, aiškinančių neutrinų masę ir osciliacijas iš kuo įvairiausių pozicijų, ir netgi rasti praktiškas pritaikymas neutrinams. Tai, kas prieš 20 metų tebuvo svajonė, dabar tapo dabartinės fizikos meinstrymu – didele dalimi dėl Super-Kamiokande ir SNO eksperimentų.