Манящий аромат нейтрино

Впервые гипотезу о ещё одной частице, которая образуется при β-распаде, высказал В. Паули в 1930 г. в письме участникам физической конференции в г. Тюбингене. Лично присутствовать на конференции он не мог, так как ехал на бал в Цюрих. Впоследствии Ферми придумал название для этой частицы — «нейтрино». С самого начала вокруг нейтрино возник некий мистический ореол. Будучи фермионом нейтрино имеет исчезающе малую массу, и у него отсутствует электрический заряд. Сечение рассеяния нейтрино крайне мало. Паули писал, что он сделал ужасную вещь: предсказал частицу, которую невозможно обнаружить. Тем не менее, ее обнаружили. Более того, установили, что имеет место явление осцилляций нейтрино, которое наблюдается только для этой фундаментальной частицы. Все это заставляет думать, что нейтрино — частица необычная.

С другой стороны, нейтрино неотъемлемый элемент Стандартной модели — теории, которая прекрасно согласуется с экспериментом, но не описывает нейтринные осцилляции. Действительно, в Стандартной модели различные типы нейтрино трактуются как фундаментальные частицы. То есть осцилляции представляют собой переходы свободных фундаментальных частиц друг в друга, что запрещено математическим аппаратом, обычно используемым в квантовой теории поля. Все нейтрино имеют одинаковые электрослабые квантовые числа, отличаясь только массой, но известно, что суперпозиции состояний свободных частиц с различными массами не имеют право на существование. Это утверждение является следствием знаменитой теоремы Йоста.

Таким образом, возникает дилемма, связанная с корректным описанием осцилляций: необходимо изменить физические основы теории или модифицировать математический аппарат? Второй подход кажется более привлекательным в свете имеющей место экспериментальной ситуации, особенно с учетом того, что он сработал при создании квантовой электродинамики (теория перенормировок) и самой Стандартной модели (неабелевы калибровочные поля).

В работе A.E. Lobanov, Annals of Physics, 403 (2019) 82–105. разработана схема, позволяющая обойти теорему Йоста (именно обойти, а не опровергнуть, поскольку это математическая теорема). При сохранении основополагающих принципов Стандартной модели, которая основана на неабелевой калибровочной симметрии, предположении о генерации масс частиц за счет механизма Хиггса и идеологии смешивания, удалось объединить все нейтрино в мультиплет, квантование которого осуществляется как квантование одной частицы. Вполне естественно, что в мультиплеты объединяются и другие частицы с одинаковыми электрослабыми квантовыми числами: заряженные лептоны, верхние и нижние кварки. Фактически в предложенной модели имеются только четыре фундаментальных фермиона. При кажущейся экстравагантности, в этой схеме остаются справедливыми предсказания Стандартной модели, но возникает возможность осцилляций частиц. Причем формулы, описывающие осцилляции ультрарелятивистских нейтрино (а именно такие нейтрино и наблюдаются в реальных экспериментах), полностью совпадают с теми, которые следуют из феноменологической теории, основанной на идеях Б. Понтекорво.

Надо отметить, что путь к полученному результату был достаточно долог. Понимание возникающих проблем шло очень непросто. Развитие этой теории, как и любого нового направления, было сопряжено с множеством проблем. И тут нельзя не упомянуть выпускниц кафедры теоретической физики, которые внесли очень серьезный вклад в эти исследования. По-видимому, наиболее значимым результатом, полученным с их участием, стала статья E.V. Arbuzova, A.E. Lobanov, E.M. Murchikova, Phys. Rev. D, 81 (2010) 045001. Если не использовать специфические математические термины, то основной смысл этой работы заключается в том, что плоские волны, характеризующие распространение частиц, могут определяться не каноническим импульсом, а другим квантовым числом.

Физика нейтрино стала своего рода трамплином для их последующей научной работы. Елена Арбузова в настоящее время занимается проблемами космологии. Ее докторская диссертация «Эффекты неустойчивости при модификации гравитации» принята к защите диссертационным советом физического факультета. Это будет первая докторская по специальности теоретическая физика, защищаемая в соответствии с положением о защите диссертаций в МГУ.

Александра Чухнова вследствие своей молодости все еще занимается физикой нейтрино. По-видимому, контакт со столом в ФИАН, за которым работали И.Е. Тамм и А.Д. Сахаров (см. фотографию), пошел ей на пользу. В своей магистерской диссертации, основываясь на описанном выше квантовополевом подходе, она построила математически непротиворечивую теорию эволюции нейтрино под действием внешних условий — плотного вещества и электромагнитного поля.

Нобелевская медаль Кипа Торна, которую можно рассмотреть на следующей фотографии, настоящая, а не позолоченный муляж. Кип Торн тоже настоящий.

Одним из следствий разработанного подхода является возможность резонансных переходов в магнитном поле. Это совершенно новое явление напоминает широко известный резонанс Михеева–Смирнова–Вольфенштейна, который обусловлен взаимодействием нейтрино с веществом. Следует уточнить, что под эволюцией нейтрино подразумеваются не только переходы между его флейворными состояниями, но и поворот спина. Очевидно, что поворот спина может являться следствием взаимодействия аномального магнитного момента нейтрино с электромагнитным полем. Более неожиданный эффект — поворот спина нейтрино за счет его взаимодействия с фермионами среды. Этот эффект предсказан на физическом факультете (A.E. Lobanov, A.I. Studenikin, Physics Letters B, 515 (2001) 94–98). Результаты оригинальных работ были воспроизведены в обзорной статье: А.И. Студеникин, Ядерная физика, 67 (2004) 1014–1024. Пятнадцатилетие этого обзора было отмечено в мартовском номере «Советского физика».

Рецензентом работы Александры Чухновой стал Андрей Старинец, также выпускник кафедры теоретической физики, а в настоящее время — профессор Оксфордского университета. За время пребывания в Москве он не только успел прочитать блестящий курс лекций «Введение в методы струнно-калибровочной дуальности», но и поучаствовать в жизни факультета. На фотографии кроме рецензента (справа), присутствует и научный руководитель — Андрей Лобанов (слева).

Остается надеяться, что полученные в диссертации А.В. Чухновой результаты будут опубликованы в течение разумного времени и в топовых журналах. Замечание не случайно, поскольку восприятие новых идей происходит достаточно медленно. Так, процесс публикации статьи, посвященной модификации Стандартной модели, занял почти четыре года. Отчасти это связано с предрассудками по отношению к фундаментальным исследованиям российских ученых, не проводящих значительное время за границей. В подтверждение этого можно упомянуть судьбу статьи S.S. Aleshin, O.G. Kharlanov, A.E. Lobanov, Phys. Rev. D, 87 (2013) 045025, которая посвящена анализу возможности исследования так называемой асимметрии день-ночь для нейтринных осцилляций. В этой работе было детально исследовано влияние географического положения детектора и времени года на результаты наблюдений. Поводом для ее написания стал эксперимент, проводимый на детекторе Borexino. Прошло пять лет. В работе коллаборации SNO (руководитель — А.Б. Макдональд) в связи с совершенно новым экспериментом, появилась ссылка на эту статью. Случай достаточно редкий, когда для оценки результата эксперимента используют теоретическую работу, не представленную в Review of particle physics. Через два месяца ссылка появилась и в статье коллаборации Borexino, в которой довольно много российских участников. По-видимому, решили, что если сослался Нобелевский лауреат, то можно.

Несмотря на все эти чудеса, работа по исследованию нейтрино на физическом факультете успешно продолжается. Воистину, нейтрино неисчерпаемо, как и атом.

Ведущий научный сотрудник кафедры теоретической физики А.Е. Лобанов