нейтрино происходили три реакции:
1) развал дейтерия электронным нейтрино
2) развал дейтерия без образования электрона
3) упругое рассеяние нейтрино на электроне
В первой реакции (42) может принимать участие только электронное нейтрино, поскольку в конечном состоянии есть электрон. В реакции (43) разваливать дейтрон могут все типы нейтрино. Но откуда в потоке солнечных электронных нейтрино могут взяться мюонные или тау-нейтрино? Только за счет осцилляций. Если бы их не было, то число событий от реакций (42) и (43) были бы одинаковы. Дополнительную проверку имеем по измерению реакции (44). В ней могут участвовать все типы нейтрино, но вклад электронного нейтрино в шесть раз больше других.
Опыт показал, что наблюдается в три раза больше событий от реакции (43), нежели от реакции (42). Это означает, что число мюонных и тау-нейтрино в три раза превышает число электронных нейтрино!
Удивительно, из Солнца вылетают только одни электронные нейтрино, но когда они добираются до Земли, только 1/3 из них сохраняет свое электронное «обличие», а 2/3 переходят в мюонные и тау-нейтрино.
Другая важная вещь – общее число событий от реакций (42) – (43) хорошо согласуется с предсказаниями числа нейтрино, ожидаемого по моделям Солнца (см. Рис. 37-1).
Это полностью решает проблему солнечных нейтрино – и теоретические расчеты потоков нейтрино от Солнца оказываются верны, и экспериментаторы, которые наблюдали только 1/3 от ожидавшегося потока солнечных нейтрино, тоже правы.
Рис. 37-1. Поток электронных нейтрино от реакции (42) (левый столбик), полный поток всех типов нейтрино от реакций (42) и (43) (правый столбик). Точка с ошибками – результат SNO, штриховая полоса – расчеты по модели Солнца [120].
Объяснение парадокса состоит в том, что все опыты до SNO, начиная с опыта Дэвиса, были чувствительны только к электронным нейтрино, а они, как оказалось, составляют только часть потока нейтрино, приходящего на Землю.
Очень красивый опыт, и вполне заслуженно руководитель коллаборации SNO Артур Макдональд получил в 2015 г. Нобелевскую премию. Интересно, что в 1988 г., когда определялась судьба проекта, Бруно написал очень важное письмо канадским научным руководителям, назвав SNO «великолепным экспериментом по многим причинам». В письме Бруно подчеркивал, что этот «эксперимент может быть осуществлен только в Канаде, где по историческим причинам было аккумулировано большое количество D2O». А в каком месте было собрано большое количество тяжелой воды? Да в том же реакторе, на котором работал Бруно в Чок-Ривер. Как интересно закольцевалась эта канадская линия его судьбы!
А. Макдональд приводил письмо Бруно в своем выступлении на конференции, посвященной 100-летию со дня рождения Бруно, где благодарил его не только за прямую поддержку эксперимента, не только за предложение гениальной идеи осцилляций, проверка которой составила основное содержание проекта SNO, но и за вклад в разработку многих других идей, которые использовались в этом эксперименте. Например, для калибровки нейтронных счетчиков был задействован инструментарий нейтронного каротажа, изобретенного Бруно [121].
Вместе с А. Макдональдом Нобелевскую премию получил Такааки Кадзита. Он назвал Бруно Понтекорво своим предшественником: «Его идеи стали фундаментом для моих исследований, мы просто подтвердили верность этой теории практическими наблюдениями… Бруно Понтекорво первым в мире обосновал наличие нейтринных осцилляций и то, что у нейтрино есть масса. Этот советский ученый был первопроходцем и лидером» [122].
Дэвис и Бакал [119] писали, что в эпопее с солнечными нейтрино они особо хотели бы отметить роль трех личностей: Ганса Бете, за его теорию ядерных реакций в звездах, Уильяма Фаулера, известного астрофизика, и Бруно Понтекорво, который «открыл всем глаза на природу этого явления, включая его предложение использовать хлор для регистрации нейтрино и его гипотезу о нейтринных осцилляциях для объяснения парадокса солнечных нейтрино».
Бакал признается, что когда они с Дэвисом писали статью, в которой аргументировали необходимость создания хлорного детектора на 600 тонн для регистрации солнечных нейтрино, им и в голову не приходило, что его можно использовать для физики частиц. Они надеялись узнать что-то интересное о механизмах эволюции звезд [123]. Бруно же, пишет Бакал, «имел понимание и смелость утверждать, что астрономические нейтрино могут потенциально дать уникальную информацию о характеристиках нейтрино» [123].
Роль Бруно очень четко сформулировал Маури Гудман в докладе на Рочестерской конференции 1964 г. [124]:
«Как все знают, Земля и Солнце были созданы для того, чтобы осуществить эксперимент по нейтринным осцилляциям. Расстояние между ними было выбрано так, что соответствовало характерной длине осцилляций, плотность внутри Солнца была выбрана так, чтобы работал МСВ-эффект[40], и само Солнце было сделано как идеальный источник электронных нейтрино. Когда все это было приготовлено, были созданы Бруно Понтекорво, чтобы изобрести идею осцилляций нейтрино, Джон Бакал, чтобы вычислить поток солнечных нейтрино, Рэй Дэвис, чтобы выполнить эксперимент с солнечными нейтрино, и все остальные люди, связанные с солнечными нейтрино, чтобы проделать эту трудную работу».
Шуточное замечание М. Гудмана о том, что «Земля и Солнце были созданы для того, чтобы осуществить эксперимент по нейтринным осцилляциям», отмечает нетривиальный факт, что нам очень повезло с Природой и мы имеем возможность наблюдать осцилляции солнечных и реакторных нейтрино только благодаря удивительному стечению обстоятельств: разность квадратов масс нейтрино (36) очень мала, поэтому можно наблюдать осцилляции, когда расстояние между детектором и источником нейтрино составляет тысячи километров (или сотни километров, как в случае реакторных нейтрино). Однако, как видно из формулы (34), вероятность осцилляций определяется еще одним параметром – углом смешивания. Если бы он был мал, то никаких осцилляций мы бы не увидели. К счастью, нам опять повезло и углы смешивания для нейтрино достаточно велики.
Никто не знает, почему разности квадратов масс и значения углов смешивания именно такие, как дает эксперимент. Нет теории, которая бы объясняла, откуда берутся эти значения. Нам сильно повезло, что есть возможность наблюдать красивые эффекты осцилляций.
38. Нейтринная астрономия
В 1961 г. Бруно вместе с Я. А. Смородинским написали статью о возможности существования во Вселенной «нейтринного моря». Они обсуждали дерзкий для того времени вопрос, может ли во Вселенной плотность энергии нейтрино превышать плотность барионов [125]. Характерная фраза из статьи:
«Хотя общепринято считать, что материя во Вселенной представлена в основном водородом, возникает естественный вопрос: не может ли энергия, приходящаяся на нейтрино и антинейтрино во Вселенной, оказаться сравнимой и даже большей энергии водорода?».
Это еще один пример удивительной способности Бруно угадывать красивую физическую идею задолго до того, как ею стали интересоваться в массовом масштабе другие. Пример проявления «хорошего вкуса в физике».
Да, в 1961 году общепринято было считать водород основным веществом во Вселенной. Однако сейчас мы знаем, что не только живем под непрерывным дождем нейтрино от Солнца. Вдобавок мы постоянно купаемся в океане реликтовых
