Физики обожают красивые решения, особенно когда они позволяют закрыть неудобный вопрос и раздать друг другу награды. Проблема солнечных нейтрино — один из тех случаев, когда научное сообщество с облегчением выдохнуло, повесило на стену диплом Нобелевской премии и сделало вид, что всё в порядке. Спойлер: не всё в порядке. Далеко не всё.
Полвека физики ломали головы над тем, почему детекторы на Земле регистрируют в два-три раза меньше нейтрино от Солнца, чем предсказывает Стандартная солнечная модель. В 2015 году Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию за доказательство нейтринных осцилляций — явления, при котором нейтрино одного типа превращаются в нейтрино другого типа по пути от Солнца к Земле. Занавес, аплодисменты, все свободны.
Но вот незадача: если копнуть глубже, чем позволяют пресс-релизы Нобелевского комитета, выясняется, что осцилляции объясняют проблему лишь частично. Остаточный дефицит никуда не делся. Аномалии в спектре солнечных нейтрино продолжают озадачивать экспериментаторов. А некоторые теоретики шёпотом признают, что мы, возможно, до сих пор не понимаем ни природу нейтрино, ни процессы в недрах нашей звезды так хорошо, как нам хотелось бы думать.
Когда физики начали нервничать
История начинается в 1960-х годах, когда американский физик Рэймонд Дэвис построил в заброшенной золотой шахте Хоумстейк детектор размером с плавательный бассейн, заполненный перхлорэтиленом — да-да, обычной жидкостью для химчистки. Идея была гениально простой: электронные нейтрино от термоядерных реакций в ядре Солнца должны иногда превращать атомы хлора в атомы аргона. Подсчитай атомы аргона — узнаешь, сколько нейтрино прилетело.
Теоретики во главе с Джоном Бакаллом уже потирали руки: Стандартная солнечная модель предсказывала вполне определённый поток нейтрино, и эксперимент Дэвиса должен был стать триумфальным подтверждением нашего понимания термоядерного синтеза в звёздах.
Вместо триумфа случился конфуз. Дэвис обнаружил примерно треть ожидаемого количества нейтрино. Сначала все решили, что ошибся Дэвис — мало ли, может, его бассейн протекает или аргон куда-то улетучивается. Потом решили, что ошибся Бакалл — мало ли, может, модель Солнца недостаточно точна. Потом построили другие детекторы: Kamiokande в Японии, SAGE в России, GALLEX в Италии. И все они показали примерно то же самое: нейтрино меньше, чем должно быть.
Тридцать лет физики жили с этой занозой в мозгу. Тридцать лет проверяли детекторы, уточняли модели, искали ошибки. И тридцать лет дефицит никуда не девался.
Нейтрино: призраки атомного мира
Чтобы понять, почему проблема солнечных нейтрино — это не просто технический казус, а фундаментальный вызов физике, нужно осознать, насколько странными частицами являются нейтрино.
Каждую секунду через ваш ноготь проходит около 65 миллиардов солнечных нейтрино. И ни одна из этих частиц не удосуживается с вами провзаимодействовать. Нейтрино могут пролететь сквозь световой год свинца, даже не заметив его существования. У них нет электрического заряда, они практически не имеют массы, они участвуют только в слабом взаимодействии — самом, кхм, слабом из всех фундаментальных сил природы.
В Стандартной модели физики частиц нейтрино долгое время считались безмассовыми. Это было удобно: безмассовые частицы не могут менять свой тип, они летят себе со скоростью света и никого не трогают. Но эксперименты показали, что нейтрино всё-таки имеют массу — крошечную, примерно в миллион раз меньше массы электрона, но ненулевую.
А если частица имеет массу, она может осциллировать. То есть нейтрино, рождённое как электронное в ядре Солнца, по дороге к Земле может превратиться в мюонное или тау-нейтрино. И вот вам, казалось бы, решение: детекторы Дэвиса и других регистрировали только электронные нейтрино, а часть из них по пути «переоделась» в другие типы.
Красиво? Безусловно. Элегантно? Несомненно. Полностью решает проблему? А вот тут начинается самое интересное.
Осцилляции: красивая заплатка на дырявой теории
Эксперимент SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаде стал ключевым в истории осцилляций. В отличие от предшественников, этот детектор мог регистрировать не только электронные нейтрино, но и все три типа одновременно. И результаты вроде бы подтвердили теорию: общий поток нейтрино соответствовал предсказаниям солнечной модели, просто часть электронных нейтрино действительно превратилась в другие разновидности.
Но давайте посмотрим на цифры внимательнее. Осцилляции нейтрино управляются набором параметров: углами смешивания и разностями квадратов масс. Эти параметры были измерены в десятках экспериментов, и да, они объясняют основную часть дефицита. Однако точность согласования между теорией и экспериментом составляет не сто процентов, а где-то в районе девяноста. Остаточные расхождения принято списывать на экспериментальные погрешности.
Удобная позиция, не правда ли? Когда теория не сходится с экспериментом на десять процентов, всегда можно сказать, что это «в пределах погрешности». Но что если погрешность — это не случайный шум, а сигнал о чём-то, чего мы не понимаем?
Есть ещё одна проблема, о которой не любят говорить на популярных лекциях. Осцилляции нейтрино зависят от энергии частиц: низкоэнергетические нейтрино осциллируют иначе, чем высокоэнергетические. Стандартная модель осцилляций с тремя типами нейтрино предсказывает вполне определённую зависимость. Но некоторые эксперименты фиксируют аномалии в спектре, которые не укладываются в эту картину.
Например, эксперименты с реакторными антинейтрино показали так называемую реакторную аномалию — дефицит антинейтрино при малых расстояниях от реактора, который не объясняется стандартными тремя типами нейтрино. Аналогичные странности наблюдаются в экспериментах с ускорительными нейтрино. Всё это намекает на существование четвёртого, а может, и пятого типа нейтрино — так называемых стерильных нейтрино, которые вообще не участвуют ни в каких взаимодействиях, кроме гравитационного.
Дьявол в деталях: что не сходится
Давайте разберём конкретные несоответствия, которые принято заметать под ковёр.
Во-первых, точная форма энергетического спектра борных нейтрино (нейтрино от распада бора-8 в ядре Солнца) до сих пор вызывает споры. Измерения различных детекторов дают слегка разные результаты, и эти различия находятся на грани статистической значимости. Но именно «на грани» — не выше и не ниже. Как будто природа специально издевается, не давая ни подтвердить, ни опровергнуть подозрения.
Во-вторых, эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна — усиление осцилляций при прохождении нейтрино через плотное вещество — наблюдается, но его количественные параметры не идеально соответствуют предсказаниям. Этот эффект должен приводить к характерному «перегибу» в спектре солнечных нейтрино, и перегиб действительно есть, но его форма слегка отличается от расчётной.
В-третьих, существует проблема металличности Солнца. Современные спектроскопические измерения показывают, что содержание тяжёлых элементов в солнечной атмосфере ниже, чем считалось раньше. Это означает, что Стандартная солнечная модель нуждается в пересмотре, а вместе с ней — и предсказания потока нейтрино. Новые модели с пониженной металличностью дают другие цифры, и согласование с экспериментами становится… сложнее.
Наконец, есть вопрос о магнитном моменте нейтрино. Стандартная модель предсказывает, что он исчезающе мал, но если нейтрино имеют аномально большой магнитный момент, они могут взаимодействовать с солнечными магнитными полями и терять энергию или менять тип нестандартным образом. Некоторые эксперименты накладывают ограничения на магнитный момент, но эти ограничения не абсолютны.
Стерильные нейтрино и другие призраки
Гипотеза о стерильных нейтрино — это одновременно и спасательный круг, и головная боль для теоретиков. С одной стороны, стерильные нейтрино могли бы объяснить аномалии, которые не укладываются в стандартную картину с тремя типами нейтрино. С другой стороны, их существование означало бы, что Стандартная модель физики частиц неполна — а это уже революция.
Стерильные нейтрино, если они существуют, не участвуют в слабом взаимодействии. Они общаются с обычной материей только через гравитацию и через смешивание с обычными нейтрино. Это делает их почти невозможными для прямого обнаружения, но теоретически они могли бы влиять на осцилляции обычных нейтрино.
Эксперименты MiniBooNE и LSND зафиксировали избыток электронных антинейтрино, который можно интерпретировать как осцилляции через стерильное нейтрино с массой около 1 электронвольта. Но другие эксперименты, такие как IceCube и MINOS, не подтвердили это наблюдение. Ситуация патовая: одни эксперименты видят аномалию, другие — нет.
Что это означает для проблемы солнечных нейтрино? Возможно, ничего. А возможно — всё. Если стерильные нейтрино существуют и смешиваются с обычными, то часть солнечных нейтрино может осциллировать в стерильное состояние и становиться полностью невидимой для любых детекторов. Это добавило бы ещё один слой сложности к и без того запутанной картине.
Что если мы не понимаем Солнце
Есть ещё одна еретическая мысль, которую мало кто осмеливается высказать вслух: может быть, проблема не в нейтрино, а в нашем понимании Солнца?
Стандартная солнечная модель — это набор дифференциальных уравнений, описывающих баланс давления, температуры и ядерных реакций внутри звезды. Модель калибруется по наблюдаемым параметрам: светимости, радиусу, возрасту, химическому составу поверхности. Но внутренности Солнца мы не видим напрямую — только косвенно, через гелиосейсмологию (изучение колебаний солнечной поверхности) и потоки нейтрино.
Гелиосейсмологические данные в целом подтверждают модель, но есть нюансы. Скорость звука в определённых слоях Солнца слегка отличается от предсказанной. Положение границы конвективной зоны не идеально соответствует расчётам. Эти расхождения малы, но они существуют.
А что если модель ошибается не в деталях, а в чём-то фундаментальном? Что если в ядре Солнца происходят процессы, которые мы не учитываем? Например, накопление тёмной материи в центре звезды могло бы влиять на температуру и плотность ядра, меняя скорость термоядерных реакций и, соответственно, поток нейтрино.
Это спекуляция? Безусловно. Но спекуляции — это двигатель науки. Каждое великое открытие начиналось с того, что кто-то задавал неудобные вопросы.
Так почему научное сообщество так неохотно признаёт, что проблема солнечных нейтрино может быть не закрыта? Ответ банален: психология и социология науки. Нобелевская премия за осцилляции нейтрино — это институциональное признание того, что проблема решена. Признать обратное означает поставить под сомнение авторитет премии, репутацию лауреатов и фундамент тысяч научных карьер, построенных на предположении, что осцилляции всё объясняют.
Наука — это не только поиск истины, но и человеческое предприятие со всеми вытекающими: амбициями, конкуренцией, инерцией мышления. Проще закрыть вопрос и двигаться дальше, чем признать, что мы по-прежнему блуждаем в тумане.
Нейтрино учат нас смирению. Эти призрачные частицы, пронизывающие нас каждое мгновение, несут послание от термоядерного сердца Солнца — послание, которое мы до сих пор не умеем полностью расшифровать. И может быть, это хорошо. Может быть, самые интересные открытия ещё впереди — там, где заканчиваются Нобелевские премии и начинается настоящая наука.