Действительно ли нейтрино нейтрально?

Урановые реакторы помогли выяснить еще одну важную характеристику нейтрино, а именно - существование у него "нейтринного" заряда. Но разве нейтральная частица может обладать зарядом?

Известно, что в природе имеется очень красивая симметрия, которая в последние несколько лет была окончательно подтверждена рядом фундаментальных опытов. Симметрия эта состоит в том, что каждой частице соответствует двойник - античастица, имеющая массу, одинаковую с частицей, а все "заряды" противоположного знака.

"Заряд" - это любая внутренняя характеристика частицы, которой приписывается знак: или положительный, или нейтральный, или отрицательный. Любому виду заряда обязательно свойственны неуничтожаемость и дискретность (т.е. они могут принимать только вполне определенные и выделенные значения).

Ясно, что электрически заряженная частица, скажем, отрицательный электрон будет отличаться от своей античастицы - положительного электрона. Но и электрически нейтральная частица, т.е. частица, не имеющая электрического заряда, может отличаться от своей античастицы. Конечно, если все заряды данной частицы равны нулю, то она тождественна со своей античастицей; она в этом случае истинно нейтральна.

А как обстоят дела с нейтрино? Мы уже знаем, что оно электрически нейтрально. Но является ли нейтрино истинно нейтральным? Отличается ли нейтрино от антинейтрино? И вот опыты с реактором дали следующий ответ: да, нейтрино и антинейтрино - разные частицы. Нейтрино не истинно нейтрально; оно имеет неэлектрический заряд - так называемый нейтринный заряд.

Антинейтрино - так назвали "неуловимую" частицу, которая возникает при распаде нейтрона.

Почему же антинейтрино, а не нейтрино? Это название выбрано совершенно произвольно и только ради удобства. Такие условности в физике встречаются нередко. Например, ничего не изменилось бы, если бы в один прекрасный день мы решили считать электрический заряд электрона положительным. Конечно, автоматически заряд у антиэлектрона стал бы отрицательным.

Итак, мы называем антинейтрино ту частицу, которая испускается при бета-распаде совместно с отрицательным электроном (когда нейтрон превращается в протон). Но физики давно знают и другой процесс, именуемый бета-плюс-распадом, когда протон внутри атомного ядра самопроизвольно превращается в нейтрон, позитрон и "неуловимую частицу". И только эту частицу мы должны назвать нейтрино.

Однако пока совершенно не ясно, отражают ли эти два названия реальную суть вещей или различие между ними чисто формальное. Иначе говоря, нам надо выяснить, отличаются ли по каким-то характеристикам нейтрино от антинейтрино.

Мы видели, что антинейтрино с протоном может дать позитрон и нейтрон. Аналогично этому столкновение нейтрино с нейтроном может дать электрон и протон (ибо последняя реакция вызвана тем же самым взаимодействием, что и предыдущая).

Но другое дело, если мы рассмотрим реакции

Нейтрино+p=n+е+

Антинейтрино+n=p+е-

Обе эти реакции получены из двух предыдущих путем замены нейтрино на антинейтрино и наоборот. Если различие между нейтрино и антинейтрино чисто формальное, если оно существует лишь в записи, то, конечно, возможны обе реакции. Если же это различие реальное, т.е. отражает различие внутренних свойств этих частиц, то эти реакции невозможны.

Итак, для проверки вопроса о различии нейтрино и антинейтрино можно использовать одну из последних реакций. Поскольку мы не имеем интенсивных источников нейтрино, но у нас есть зато источники антинейтрино - урановые реакторы, то удобно исследовать вторую из приведенных выше реакций. Правда, вещества, состоящего из одних только нейтронов, не существует. Но это не принципиальный вопрос. Можно изучить реакцию на нейтронах, находящихся внутри атомного ядра. Особенно удобным оказалось ядро хлора-37. Этот крайне трудный опыт был закончен недавно. Было найдено, что процесс

Антинейтрино+37Cl=37Ar+e-

не осуществляется. Значит, и в самом деле нейтрино и антинейтрино - разные частицы, имеющие противоположные знаки некоего неэлектрического, нейтринного заряда

Какова природа этого заряда?

С тех пор как была выдвинута гипотеза о нейтрино, не было сомнения в том, что нейтрино должны иметь "спин", т.е. являются вращающимися объектами (в квантово-механическом смысле). Можно было ожидать, что в составе пучка нейтрино половина частиц имеет правое вращение по отношению к направлению движения, а другая половина - левое. Это следовало из физического закона, который до 1957 г. считался неоспоримым, - "закона сохранения четности". В соответствии с ним во всех физических явлениях должна иметь место строгая право-левая ("зеркальная") симметрия, так что в природе не должны происходить явления, в которых правое преобладает над левым и наоборот.

В нашем случае закон сохранения четности запрещает испускание, как говорят физики, "продольно поляризованных" нейтрино, т.е. нейтрино, имеющих, скажем, преимущественно левое вращение по отношению к направлению движения.

Кроме того, до 1957 г. думали, что имеет место и другая симметрия - зарядовая, благодаря которой любое физическое явление остается "инвариантным" (т.е. описывается одним и тем же математическим законом), если каждую частицу заменить ее античастицей. Такая симметрия не позволяет нейтрино иметь только левое вращение, а антинейтрино - только правое.

Однако в 1957 г. китайские физики, работающие в США, - Ли Дзундао и Янг Чженьнин выдвинули гипотезу, что при слабых взаимодействиях эти два закона симметрии не имеют места. В многочисленных экспериментах обнаружились явления, в которых эти законы явно нарушаются, но обязательно оба сразу.

Советский физик, лауреат Ленинской и Нобелевской премий Лев Давидович Ландау показал, что в природе существует более глубокая симметрия, которую он назвал комбинированной инверсией. Предложенный им новый закон утверждает, что любое явление остается инвариантным, если одновременно "правое заменить на левое", а каждую частицу заменить ее античастицей.

С точки зрения нового закона, нейтринный пучок "имеет право" быть полностью поляризованным. Кроме того, если нейтрино вращается справа налево, то антинейтрино должно вращаться слева направо по отношению к направлению своего движения. Такая возможность и предусматривается теорией "продольного нейтрино" А. Салама, Л. Ландау, Ли и Янга, согласно которой эти частицы должны быть полностью поляризованы. Вместе с тем, по этой теории, нейтрино обязаны иметь массу, строго равную нулю, а значит, в соответствии с теорией относительности, скорость их всегда равна скорости света.

Все эти предсказания теории ныне подтверждаются в опытах. Доказано, что нейтрино вращается справа налево (если смотреть по ходу его движения). Известно, что степень поляризации нейтрино и антинейтрино очень высока. Правда, не доказано еще экспериментально, полностью ли поляризованы неуловимые частицы, как этого требует теория продольного нейтрино, и точно ли равна нулю их масса.

Таким образом, мы может заключить, что нейтрино и антинейтрино отличаются друг от друга тем, что имеют разное направление "спиральности", причем нейтрино напоминает винт с левой резьбой, а антинейтрино - с правой. Но здесь возникает естественный вопрос: сведется ли к этому сущность нейтринного заряда? Иными словами, является ли разное направление "спиральности" нейтрино и антинейтрино единственным различием между этими частицами?

Всего несколько месяцев назад большинство физиков, я думаю, дали бы положительный ответ на этот вопрос. Однако недавно законченный важный опыт, о котором речь будет идти ниже, показывает, что вопрос о природе нейтринного заряда не такой простой