Маленькие рассказы о космосе. 4. Загадка солнечных нейтрино.
Не все гладко у человечества с пониманием природы Солнца. С полвека назад оно нанесло мощный удар по его гордыне, на который астрономы и физики достойного ответа до сих пор не нашли.
Любые теории и модели должны опираться на данные наблюдений и зкспериментов. Это касается и моделей Солнца. Сам факт многомиллиардолетнего существования Солнца однозначно говорит о термоядерном перегорании в его недрах водорода в гелий. Цепочка термоядерных реакций этого перегорания по совокупности выглядит так:
4p → 4He + 2e+ + 2νe + 24.7 МэВ,
Из этой записи видно, что при превращении четырех протонов в ядро гелия дополнительно образуются два позитрона (e+), два электронных нейтрино (νe) и жесткие гамма-фотоны суммарной энергии почти в полсотни масс покоя электрона (me = 0,51 МэВ/с²). Что в этой реакции реально измеримо?
Понятно, что концентрации протонов и ядер гелия в недрах Солнца измерить просто невозможно. Число родившихся позитронов измерить тоже не получится. Поскольку сразу после своего рождения они аннигилируют со ставшими избыточными в плазме Солнца электронами. Внося в общий вклад в энерговыделение в размере примерно в 2 МэВ, что гораздо меньше фигурирующей в формуле реакции энергии гамма-фотонов (24,7 МэВ).
По совокупности эти (24,7 + 2) МэВ, умноженные на интенсивность реакции перегорания водорода в гелий естественно отождествить с энергией, обеспечивающей наблюдаемую светимость Солнца. Отсюда легко вычисляется число излучаемых Солнцем в единицу времени электронных нейтрино. Осталось проверить в земных экспериментах это число и ... правильность построенных моделей Солнца будет доказана?
И тут наступил конфуз, длящийся уже не менее полувека. Как он выглядит, какие выходы из него видны и чем они грозят фундаментальной физике?
1. Основные свойства нейтрино.
Нейтрино хороши тем, что они практически не взаимодействуют с другими частицами. Другими словами, сколько их родилось в недрах Солнца, почти столько их и улетит в окружающее пространство. И судя по наблюдаемой светимости Солнца через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно их должно пролетать не менее 60 миллиардов штук. Никак не замечаемых нашими организмами.
Но этим же они и плохи. Ибо зарегистрировать их в земных опытах будет чрезвычайно трудно.
Кроме того, в построенной и проверенной во множестве экспериментов теории фундаментальных частиц (называемой Стандартной моделью) нейтрино, как и фотоны, не имеют массы. И потому должны двигаться только со скоростью света. И пока ни в одном эксперименте не было обнаружего никаких отклонений от этого утверждения теории.
2. Ловля и подсчет нейтрино.
Установки, на которых регистрируют нейтрино, называют нейтринными телескопами. Хотя они ничем не похожи на телескопы. Это либо облепленные детекторами и находящиеся в глубоких шахтах огромные цистерны с некоей сверхчистой жидкостью, либо большие гирлянды детекторов, погруженные в глубокие чистые водоемы типа Байкала или льды Антарктиды. Последний, в частности, заполняет гирляндами своих детекторов объем примерно в кубический километр.
Регистрации событий взаимодействия нейтрино с веществом (ядрами атомов вещества) весьма редки - в лучшем случае по нескольку событий в день на один телескоп. Тем не менее, за годы наблюдений накопилась приличная статистика, из которой следует: Электронных нейтрино от Солнца приходит в 2-3 раза меньше, чем их должно быть при наблюдаемой светимости Солнца. Этот результат подтвердили все команды исследователей, занимавшихся ловлей солнечных электронных нейтрино на своих установках.
Возникла пауза.
3. Гипотеза периодической термоядерной печки.
Жесткие гамма-фотоны, излучаемые в ходе термоядерной реакции, непрерывно рассеиваются на протонах и электронах, теряют в таком процессе энергию и медленно просачиваются от ядра Солнца к его поверхности. Характерное время такого просачивания - многие сотни тысяч и миллионы лет. Поэтому можно предположить, что термоядерная печка в ядре Солнца работает с переменной интенсивностью, которую мы практически не замечаем из-за длительности просачивания энергии реакции к поверхности Солнца.
В такой модели период колебаний интенсивности работы термоядерной печки не должен превышать нескольких миллионов лет. Но для перегорания хотя бы половины водорода в ядре Солнца в гелий требуется время порядка сотни миллионов лет. И только при выгорании половины водорода число нейтрино уменьшилось бы вполовину от обеспечивающей современную светимость Солнца величины. Рассогласование обозначенных выше периодов на полтора-два порядка делает гипотезу периодической термоядерной печки в ядре Солнца малосостоятельной.
4. Гипотеза осцилляций нейтрино.
Нейтрино бывают трех типов - электронные, мюонные и тау-лептонные. В реакции перегорания водорода в гелий выделяются только электронные. Но еще до построения общей теории фундаментальных частиц (Стандартная модель) была высказана гипотеза о возможности самопроизвольного превращения одного типа нейтрино в другие буквально "на лету". Ее и вспомнили, испытав конфуз с подсчетом электронных солнечных нейтрино.
Поставленные в конце прошлого века эксперименты показали, что общий поток всех типов нейтрино от Солнца близок к предсказываемому потоку электронных солнечных нейтрино. Что обнадеживает.
Но тут возникают проблемы уже у физиков. Общая теория фундаментальных частиц предсказывает отсутствие масс покоя у всех типов нейтрино. А факт их осцилляции означает, что они имеют отличные от нуля массы покоя. В частности, масса покоя электронных нейтрино должна быть порядка 1-2 эВ (в несколько сот тысяч раз меньше, чем у электрона). И, следовательно, нейтрино должны двигаться со скоростью меньшей скорости света. Чего ни в одном эксперименте до сих поор не обнаружено.
Теперь слово - за физиками. Они должны найти ответ на поставленную перед ними Солнцем загадку.
Любые теории и модели должны опираться на данные наблюдений и зкспериментов. Это касается и моделей Солнца. Сам факт многомиллиардолетнего существования Солнца однозначно говорит о термоядерном перегорании в его недрах водорода в гелий. Цепочка термоядерных реакций этого перегорания по совокупности выглядит так:
4p → 4He + 2e+ + 2νe + 24.7 МэВ,
Из этой записи видно, что при превращении четырех протонов в ядро гелия дополнительно образуются два позитрона (e+), два электронных нейтрино (νe) и жесткие гамма-фотоны суммарной энергии почти в полсотни масс покоя электрона (me = 0,51 МэВ/с²). Что в этой реакции реально измеримо?
Понятно, что концентрации протонов и ядер гелия в недрах Солнца измерить просто невозможно. Число родившихся позитронов измерить тоже не получится. Поскольку сразу после своего рождения они аннигилируют со ставшими избыточными в плазме Солнца электронами. Внося в общий вклад в энерговыделение в размере примерно в 2 МэВ, что гораздо меньше фигурирующей в формуле реакции энергии гамма-фотонов (24,7 МэВ).
По совокупности эти (24,7 + 2) МэВ, умноженные на интенсивность реакции перегорания водорода в гелий естественно отождествить с энергией, обеспечивающей наблюдаемую светимость Солнца. Отсюда легко вычисляется число излучаемых Солнцем в единицу времени электронных нейтрино. Осталось проверить в земных экспериментах это число и ... правильность построенных моделей Солнца будет доказана?
И тут наступил конфуз, длящийся уже не менее полувека. Как он выглядит, какие выходы из него видны и чем они грозят фундаментальной физике?
1. Основные свойства нейтрино.
Нейтрино хороши тем, что они практически не взаимодействуют с другими частицами. Другими словами, сколько их родилось в недрах Солнца, почти столько их и улетит в окружающее пространство. И судя по наблюдаемой светимости Солнца через каждый квадратный сантиметр нашей кожи ежесекундно их должно пролетать не менее 60 миллиардов штук. Никак не замечаемых нашими организмами.
Но этим же они и плохи. Ибо зарегистрировать их в земных опытах будет чрезвычайно трудно.
Кроме того, в построенной и проверенной во множестве экспериментов теории фундаментальных частиц (называемой Стандартной моделью) нейтрино, как и фотоны, не имеют массы. И потому должны двигаться только со скоростью света. И пока ни в одном эксперименте не было обнаружего никаких отклонений от этого утверждения теории.
2. Ловля и подсчет нейтрино.
Установки, на которых регистрируют нейтрино, называют нейтринными телескопами. Хотя они ничем не похожи на телескопы. Это либо облепленные детекторами и находящиеся в глубоких шахтах огромные цистерны с некоей сверхчистой жидкостью, либо большие гирлянды детекторов, погруженные в глубокие чистые водоемы типа Байкала или льды Антарктиды. Последний, в частности, заполняет гирляндами своих детекторов объем примерно в кубический километр.
Регистрации событий взаимодействия нейтрино с веществом (ядрами атомов вещества) весьма редки - в лучшем случае по нескольку событий в день на один телескоп. Тем не менее, за годы наблюдений накопилась приличная статистика, из которой следует: Электронных нейтрино от Солнца приходит в 2-3 раза меньше, чем их должно быть при наблюдаемой светимости Солнца. Этот результат подтвердили все команды исследователей, занимавшихся ловлей солнечных электронных нейтрино на своих установках.
Возникла пауза.
3. Гипотеза периодической термоядерной печки.
Жесткие гамма-фотоны, излучаемые в ходе термоядерной реакции, непрерывно рассеиваются на протонах и электронах, теряют в таком процессе энергию и медленно просачиваются от ядра Солнца к его поверхности. Характерное время такого просачивания - многие сотни тысяч и миллионы лет. Поэтому можно предположить, что термоядерная печка в ядре Солнца работает с переменной интенсивностью, которую мы практически не замечаем из-за длительности просачивания энергии реакции к поверхности Солнца.
В такой модели период колебаний интенсивности работы термоядерной печки не должен превышать нескольких миллионов лет. Но для перегорания хотя бы половины водорода в ядре Солнца в гелий требуется время порядка сотни миллионов лет. И только при выгорании половины водорода число нейтрино уменьшилось бы вполовину от обеспечивающей современную светимость Солнца величины. Рассогласование обозначенных выше периодов на полтора-два порядка делает гипотезу периодической термоядерной печки в ядре Солнца малосостоятельной.
4. Гипотеза осцилляций нейтрино.
Нейтрино бывают трех типов - электронные, мюонные и тау-лептонные. В реакции перегорания водорода в гелий выделяются только электронные. Но еще до построения общей теории фундаментальных частиц (Стандартная модель) была высказана гипотеза о возможности самопроизвольного превращения одного типа нейтрино в другие буквально "на лету". Ее и вспомнили, испытав конфуз с подсчетом электронных солнечных нейтрино.
Поставленные в конце прошлого века эксперименты показали, что общий поток всех типов нейтрино от Солнца близок к предсказываемому потоку электронных солнечных нейтрино. Что обнадеживает.
Но тут возникают проблемы уже у физиков. Общая теория фундаментальных частиц предсказывает отсутствие масс покоя у всех типов нейтрино. А факт их осцилляции означает, что они имеют отличные от нуля массы покоя. В частности, масса покоя электронных нейтрино должна быть порядка 1-2 эВ (в несколько сот тысяч раз меньше, чем у электрона). И, следовательно, нейтрино должны двигаться со скоростью меньшей скорости света. Чего ни в одном эксперименте до сих поор не обнаружено.
Теперь слово - за физиками. Они должны найти ответ на поставленную перед ними Солнцем загадку.