Нейтрино не имеют ни барионного, ни обычного электрического заряда, ни массы. Они не испытывают ни ядерных, ни электромагнитных, ни гравитационных взаимодействий. Они чистейшие представители слабых взаимодействий. И столь же всепроникающи, как эти взаимодействия.
Нейтрино движутся со скоростью света, не будучи фотонами.
В раскаленных глубинах звезд, где голые атомные ядра сшибаются в бешеной пляске, рождая новые ядра, где полным ходом идут термоядерные реакции — источник света и тепла от звезд, — рождаются полчища нейтрино. Они вырываются сквозь колоссальные толщи звездного вещества, которое для них куда более прозрачно, чем для собственного звездного света. Вырываются в мировое пространство, чтобы пролететь чудовищные расстояния и исчезнуть за какими-то неведомыми пределами.
Одинокие равнодушные странники, они не дарят миру ни тепла, ни света. Они не отдают холодному межзвездному миру ни капли из той огромной энергии, которую уносят с собой из звезд. А эта энергия действительно огромна: из нашего Солнца нейтрино уносят чуть ли не одну десятую всей излучаемой им энергии. Этой энергии хватило бы, чтобы зажечь сорок тысяч лун на земном небосводе!
А может быть, эта поражающая воображение картина выглядит вовсе не так. Может быть, нейтрино вовсе не такой равнодушный странник, как его сегодня изображают физики. Может быть, но тогда истинная картина, когда она откроется, наверняка поразит наше воображение еще сильнее…
О нейтрино физики догадывались уже тридцать лет назад. Поймать его удалось лишь восемь лет назад, после пятилетней напряженной подготовки охотничьей экспедиции. Изучать по-настоящему нейтрино начали лишь в самые последние годы.
В лице пи-мезонов физики впервые столкнулись с вещественными квантами, имеющими массу покоя. В лице нейтрино физики впервые встретились с частицей, имеющей вещественный «полуцелый» спин — и никаких других вещественных признаков.
Нейтрино не квант слабых полей: об этом ясно говорит его «полуцелый» спин. Нейтрино не вещественная частица: у него нет массы покоя, и он движется лишь со скоростью света.
Что же такое нейтрино? Сверхфеноменальная частица мира, где феноменальное встречается на каждом шагу? Этот вопрос стал одним из центральных в современной физике.
Крушение закона сохранения четности в слабых взаимодействиях немедленно подорвало веру физиков в то, что нейтрино и антинейтрино одинаковые частицы. Зеркальное изображение нейтрино оказалось не во всем похожим на нейтрино. Оно оказалось воистину зеркальным.
Спин нейтрино, как выяснилось, «смотрит» туда, куда движется частица, а спин антинейтрино — против движения. Антинейтрино, если говорить словами шутливой песенки про кузнечика, летит «коленками назад».
Некоторые физики любят сравнивать нейтрино со штопором. У штопора, как известно, правая нарезка. Момент импульса штопора при его ввинчивании в пробку, — какие серьезные слова для такой веселой операции! — направлен туда же, в пробку, то есть совпадает с направлением движения самого штопора. Это нейтрино.
Левше, понятно, пользоваться таким штопором неудобно. Природа пожалела его и создала «антиштопор» с левой нарезкой. Теперь момент импульса «антиштопора» направлен в руку, хотя сам «антиштопор» по-прежнему уходит в бутылку. Это антинейтрино.
Правая и левая нарезка, или, как говорят физики, «спиральность» — вот то единственное отличие, которое проводят сегодня ученые между нейтрино и антинейтрино. Так — они убеждены — и действует «кривое» зеркало природы. Рейнс и Коуэн в действительности поймали не нейтрино, а антинейтрино!
Это 1957 год. 1962 год приносит новый сюрприз.
Физики уже давно были удивлены тем, почему мю-мезоны, распадаясь на электроны, избавляются от «довеска» массы таким хитроумным способом, как с помощью нейтрино (или антинейтрино). Слабые взаимодействия, ну и что? Пи-мезоны тоже распадаются слабым взаимодействием. Опять же, что из этого следует? Почему они не могут распадаться, скажем, электромагнитным взаимодействием?
В частности, почему бы мю-мезоны не могли распадаться, скажем, так. Мю-плюс — на два позитрона и один электрон; или мю-минус — на два электрона и один позитрон; или, наконец, мю-мезон — на электрон (позитрон) и фотон? Ни один из известных законов сохранения — даже такой «надуманный», как для лептонного заряда, — этого не запрещает. А между тем указанные распады никогда не наблюдались.
Значит, заключили физики, коварная природа придумала еще один запрет. И, как всегда в подобных случаях, «сочинили» новый заряд и новый закон его сохранения. На сей раз — мюонный заряд, уже специально для одной-единственной частицы. На что только не пойдешь, чтобы объяснить необъяснимое!
Ладно. Заряд так заряд. Понятно, что электрон этого заряда лишен. Позитрон тоже. И фотон вместе с ними. Тогда действительно мю-мезон никак не может распасться на тройку своих «младших братьев» или дать жизнь таким «братьям» с большим фотонным наследством.
Как водится, приписали мю-плюсу мюонный заряд +1, мю-минусу приписали –1. И оглянулись по сторонам — кому бы еще присвоить такой заряд. Желающих не оказалось. От такого, с позволения сказать, знака отличия отвернулся даже близкий сосед мю-мезона — пи-мезон.
С этого все и началось. Распался пи-плюс на мю-плюс и нейтрино. Стали считать мюонные заряды. Слева — нуль, справа +1. И нейтрино потребовалось приписать –1, чтобы все было в порядке (справа и слева по нулю).
А затем обратились ко второму распаду: мю-мезона на электрон и нейтрино. У мю-мезона спин — половинка, значит, и у его наследников в сумме должно быть то же. У электрона и у нейтрино — тоже по половинке. Как ни складывай две половинки, одной из них не получишь. Пришлось, как мы уже рассказывали, к ним в компанию добавить еще антинейтрино. Теперь все стало на место.
Стало? А ну-ка, сопоставим мюонные заряды. Слева +1 или –1, смотря по тому, мю-плюс или мю-минус распался. А справа? Электрон мюонного заряда лишен, а нейтрино и антинейтрино, хоть и имеют его, но гасят друг у друга: они же античастицы. Не удается мю-мезону передать свой «особый» заряд наследникам! Подвела арифметика?
«Нет, арифметика правильна», — заключил советский физик Моисей Александрович Марков.
Просто те нейтрино, что появляются вместе с мю-мезоном при распаде пи-мезона и вместе с электроном при распаде мю-мезона, — эти нейтрино разные! Просто? Ох, какой не простой вывод были вынуждены сделать физики!
Тогда так: «мюонное» нейтрино имеет тот же мюонный заряд, что и его партнер мю-мезон (то есть ±1), а «электронное», — что и электрон (0). Первое обозначим «своей» буквой ν, но со значком μ. Вот так: νμ. А второе — νe. И назовем: νμ — нейтрино 2 и νe — нейтрино 1. Под такими обозначениями они и выступают в нашей таблице переписи сверхмалых частиц.
В результате можно свести концы с концами. Пи-мезон распадается так:
π+ → μ+ + νμ или π– → μ– + νμ–
(черточка над буквой обозначает античастицу, в данном случае — антинейтрино). А мю-мезон распадается уже на «смесь» нейтрино:
μ+ → e+ + νe + νμ– или μ– → e– + νe– + νμ.
Честь спасена, но каким, казалось бы, неуклюжим маневром! «Не торопитесь наклеивать ярлыки, — такой ответ получили скептики, — давайте сначала проверим. Отказаться от ошибки никогда не поздно».
Проверка была произведена летом 1962 года. Сильному пучку пи-мезонов была предоставлена возможность распадаться на мю-мезоны, а тем — на нейтрино. После этого нейтрино, невидимые и неуловимые, начали свободный поиск жертв в среде протонов и нейтронов, наподобие того, что было в опыте Рейнса и Коуэна. Если бы «мюонное» и «электронное» нейтрино были одинаковыми, то при столкновении их с протонами и нейтронами должны были бы «обратно» рождаться как электроны, так и мю-мезоны.