Нейтрино естественного происхождения имеют три принципиально разных источника. Первый из них – это реликтовые нейтрино, оставшиеся от Большого Взрыва. Согласно модели горячей Вселенной в настоящее время их температура близка к абсолютному нулю (около 2К). Хотя в среднем в 1 см3 пространства содержится от 300 до 400 реликтовых нейтрино всех трех типов. Однако практического метода для регистрации этих реликтовых нейтрино пока нет. Вторым источником нейтрино служат ядерные реакции, идущие в ядрах звезд. Солнце производит порядка 2•1038 нейтрино каждую секунду, а сверхновые звезды могут испустить в тысячу раз больше нейтрино, чем наше Солнце произведет за 10 миллиардов лет его жизни. Третьим «поставщиком» высокоэнергетичных нейтрино являются космические лучи, пронизывающие Землю со всех сторон.
На сегодняшний момент большинство наших знаний о Вселенной получено из наблюдений фотонов. Фотоны обильно вырабатываются, стабильны и электрически нейтральны, их просто обнаружить в широкой области энергий, а их спектры несут детальную информацию о химических и физических свойствах источников. Но горячие плотные области в ядрах звезд, ядра активных галактик и других энергетичных астрофизических источников для фотонов непрозрачны.
Обнаружение космических источников нейтрино может пролить свет на физику экзотических астрономических объектов, таких как экстремально мощные активные ядра галактик или таинственные гамма-вспышки, и помочь сделать шаг вперед в понимании загадки темной материи. Одна из интереснейших и труднейших задач для физиков и астрономов – «поймать» нейтрино внеземного происхождения, и прежде всего измерить поток нейтрино от Солнца, что позволит подтвердить теоретические гипотезы о механизмах реакций, обеспечивающих его светимость. Солнце производит только электронные нейтрино, но они значительно различаются по своим энергиям. Согласно Стандартной Солнечной Модели солнечная светимость поддерживается главным образом за счет энергии, которая освобождается в результате цепочки реакций, приводящей к образованию гелия из четырех протонов (водородный цикл). Но иногда происходит побочная реакция превращения бериллия в бор, и в этом случае образуются нейтрино с более высокой энергией.
Антинейтрино, как и нейтрино, возникло чисто теоретически, но после эксперимента в рамках проекта «Полтергейст» получило полное право на существование. Нейтрино рождается во всех процессах, где рождается позитрон или поглощается электрон, а антинейтрино рождается при испускании электрона или поглощении позитрона.
Очень скоро выяснилось, что нейтрино появляется не только при бета-распаде.
В 1936 году в космических лучах были обнаружены частицы – мюоны, абсолютные двойники электрона во всем, кроме массы. Масса мюона в 206,8 раза больше массы электрона, и из-за этого он нестабилен и быстро распадается на электрон, нейтрино и антинейтрино. Таким образом, оказалось, что нейтрино появляется в компании с электроном или с мюоном. В первом случае говорят об электронном нейтрино, а во втором – о мюонном нейтрино.
Тождественны ли эти нейтрино, или все же это два типа частиц, можно было решить только экспериментально. Смысл эксперимента, идея которого принадлежала Бруно Понтекорво, состоял в следующем. Если оба нейтрино тождественны, то мюонные нейтрино и антинейтрино будут порождать как мюоны, так и электроны или позитроны, если же они различны, то следует ожидать появления только мюонов. В 1962 году в США на одном из ускорителей был проведен эксперимент, подтвердивший существование двух типов нейтрино и антинейтрино – электронных и мюонных.
В 1975 году группой во главе с Мартином Перлом в Стэнфорде (Stanford Linear Accelerator Center) была открыта тау-частица. Она имеет массу, в 3 500 раз большую, чем электрон, и ее распад показывал то же самое несоответствие энергии, которое привело Паули к предсказанию нейтрино. Это дало серьезные основания предполагать существование третьего сорта нейтрино, связанного с тау-частицей.
И наконец, в июле 2000 года участниками эксперимента по непосредственному наблюдению тау- нейтрино было объявлено о получении результатов, подтверждающих существование элементарной частицы, названной тау-нейтрино. Таким образом, исследования показали, что возможно существование трех видов нейтрино, представляющих собой полный набор частиц этого класса: электронный нейтрино, мюонный нейтрино и тау-нейтрино, причем каждый со своим антинейтрино. В ядерной физике эти три разновидности нейтрино называются ароматами.
Для нейтрино солнечного вещества как будто и не существует: они улетают с места возникновения по прямолинейной траектории, нигде и ничем не отклоняясь, многие из них достигают поверхности Земли. Не имеет значения, день стоит или ночь: днем нейтрино прилетают сверху, а ночью – снизу, свободно пронзая земной шар. К счастью, существуют изотопы, с помощью которых можно устроить для нейтрино хоть и небольшое, но заметное препятствие. Наиболее известным из них является хлор-37. В тех редких случаях, когда нейтрино сталкивается с ядром атома хлора, это ядро испускает электрон и возникает атомное ядро радиоактивного аргона, которое распадается через 35 дней. Используя эту реакцию, можно построить детектор для солнечных нейтрино, который, чтобы компенсировать редкость таких столкновений, должен иметь большие размеры и для защиты от фонового излучения находиться глубоко под землей.
Первый эксперимент по обнаружению солнечных нейтрино с использованием этого метода был начат Раймондом Дэвисом в 1967 году в золотой шахте в Homеstake (Южная Дакота, США). Большое количество контрольных экспериментов показало, что эффективность извлечения аргона из бака – около 100%. Если количество нейтрино правильно оценивается астрофизической моделью Солнца, то в контейнере каждый день в среднем один атом хлора должен превращаться в атом аргона под действием нейтрино. Если бы этот детектор обнаружил количество нейтрино, близкое к предсказанному теорией, то это стало бы подтверждением того факта, что Солнце нагревается за счет ядерных реакций превращения водорода в гелий.
К сожалению, эксперименты, проводившиеся в течение нескольких лет, показали, что одна такая реакция происходит в среднем раз в три дня. Из этого следовал вывод, что Солнце производит только треть ожидаемых нейтрино с высокими энергиями. Астрофизики проверяли модели, а Дэвис искал ошибки в эксперименте. Но несоответствие моделей и эксперимента не исчезло и в 1988 году за дело взялись японские ученые на своем подземном детекторе Kamiokande-II, который расположен на глубине 1 000 м в шахте Камиока в префектуре Gifu. Их эксперимент принципиально отличался от эксперимента Дэвиса. Японцы использовали рассеяние солнечных нейтрино на электронах обычной воды. В результате столкновения нейтрино с каким-либо атомом, входящим в состав воды, ядро атома отскакивало, а электрон из атомной оболочки вылетал с огромной скоростью, создавая в воде свечение темно-голубого цвета, называемое Черенковским излучением.
Такая методика позволяет регистрировать все типы нейтрино, но максимально она чувствительна к электронным нейтрино. Ее достоинство заключается в том, что можно определить достаточно точно, откуда прибыло нейтрино, так как вылетевший электрон сохраняет направление движения нейтрино. Для того чтобы поймать нейтрино, использовались 3 000 тонн чистейшей воды, помещенной в стальной цилиндрический резервуар. 1 000 фотоумножителей, размещенных на внутренней поверхности резервуара, фиксировали Черенковское излучение, свидетельствующее о появлении нейтрино. Но подобно экспериментам Homеstake, Kamiokande-II обнаруживал только очень редкие высокоэнергетичные нейтрино. За тысячу дней наблюдений японские ученые обнаружили только половину от ожидаемого потока таких нейтрино.
Необходимо же было еще обнаружить и низкоэнергетичные нейтрино, возникающие в результате чрезвычайно важных для Солнца реакций водородного цикла. Для этого можно было воспользоваться тем, что при воздействии низкоэнергетичных нейтрино на атом галлия образуется атом германия с периодом распада 11 дней. Однако галлий – редкий и очень дорогой металл, его мировая добыча невелика, а для получения надежных результатов детектор должен был бы содержать примерно 40 тонн этого элемента. Поэтому галлиевые детекторы появились значительно позднее.
Российско-Американский галлиевый эксперимент, получивший название SAGE, был проведен на Боксанской нейтринной обсерватории, расположенной на большой глубине в горах Кавказа в России. Почти 100 измерений потока солнечных нейтрино, проведенных в течение 1990—2000 годов, зафиксировали только половину потока нейтрино, который прогнозируется Стандартной Солнечной Моделью. Огромное число различных тестов, проведенных для проверки надежности эксперимента, указали на то, что
