Действительно ли нейтрино — двойники для самих себя?

25 марта 1938 года Этторе Майорана собирался сесть на паром из Неаполя в Палермо. По крайней мере, он купил на него билет. В тот же вечер 31-летний итальянский физик отправил письмо Антонио Каррелли, директору Института физики в Неаполе, извиняясь за неудобства, которые вызовет его «внезапное исчезновение». Формулировка звучала как нечто окончательное и потому зловещее. Однако Майорана, по-видимому, почти сразу же передумал. Он отправил ещё одно сообщение, в котором давал понять, что от прежнего решения отказался. Но в итоге всё равно исчез. Никаких его подтверждённых следов так никто и не нашёл.

Одного этого уже было бы достаточно, чтобы сделать Майорану одной из самых загадочных фигур в истории физики. Но этой тайне становится ещё труднее сопротивляться из-за того, над чем он работал незадолго до исчезновения.

Энрико Ферми, который не славился раздачей щедрых комплиментов, по некоторым данным, отнёс Майорану к той же категории людей, что и Галилей с Ньютоном. Не просто выдающийся учёный. Не просто физик, способный на важные открытия. Гений.

В 1937 году, за год до своего исчезновения, Майорана опубликовал необычную статью, в которой исследовал возможность, казавшуюся почти абсурдной. Что, если частица может быть одновременно и своей собственной античастицей?

На протяжении десятилетий это оставалось одной из тех удивительных и одновременно тревожных теоретических идей, которыми так богата физика: математически обоснованных, концептуально причудливых, экспериментально нерешённых.

И тут в историю вступили нейтрино. Почему-то всякий раз, когда физики создают достаточно изящную картину того, как устроена реальность, нейтрино имеют привычку проникать через боковую дверь и разбрасывать мебель. Они практически не взаимодействуют с материей. Они пролетают сквозь целые планеты. Они меняют свою «идентичность», летя через космос. В течение многих лет мы думали, что у них нет массы, а потом природа сообщила нам, что, на самом деле, нет — у них всё-таки есть масса. Они повсюду, но для их обнаружения требуются героические запасы терпения, денег и подземных пород. И теперь они могут заставить нас переосмыслить нечто ещё более фундаментальное: что именно мы имеем в виду, когда говорим «частица»?

Вы неправильно представляли себе частицу

Обычное представление о частице довольно простое. Возьмём, к примеру, электрон. Это некий объект. У него есть масса. У него есть электрический заряд. У него есть спин. Его можно ускорять, рассеивать, удерживать, измерять и пропускать через экспериментальные приборы до тех пор, пока он не пожалеет о том, что его когда-то открыли. И даже узнав о квантовых полях, нам хочется сохранять ту же базовую интуицию. Возможно, электрон на самом деле является возбуждением электронного поля, но за всей этой математикой всё же скрывается идентифицируемый объект. Эта картина работает достаточно хорошо, пока в дело не вступает вопрос о хиральности.

Посмотрите на свои руки. Ваша левая и правая руки почти идеально похожи друг на друга, но никакое обычное вращение не превратит одну в другую. Вы можете вращать левую руку вокруг любой доступной вам оси, и она упорно остаётся левой рукой. Чтобы превратить её в правую руку, необходимо её зеркально отобразить. Это свойство называется хиральностью.

Химия полна хиральных структур. Биологические молекулы часто бывают хиральными. Аминокислоты, используемые живыми организмами, явно предпочитают один из двух вариантов «закрученности». ДНК закручивается в определённом направлении. Природа, по причинам, которые до сих пор остаются непонятными, не всегда рассматривает зеркальные образы как эквивалентные.

Физика элементарных частиц поступает аналогичным образом. Частицы обладают спином — внутренней формой углового момента. Вот только не надо представлять себе крошечный шарик, буквально вращающийся вокруг своей оси, потому что квантовая механика накажет вас за то, что вы восприняли эту аналогию слишком серьёзно. Но для приблизительной визуализации представьте себе пулю, движущуюся в пространстве и при этом вращающуюся.

В эксперименте мы можем измерить, направлен ли спин частицы вдоль её движения или против него. Такое соотношение между спином и направлением движения называют спиральностью. Если спин направлен вдоль движения, мы говорим о положительной спиральности. Если против движения — мы называем её отрицательной. Однако это не то же самое, что хиральность — между ними есть важная разница.

Предположим, вы измерили спиральность движущейся частицы. А затем вы бросаетесь за ней в погоню, обгоняете частицу и смотрите на неё уже с другой стороны. Для вас она теперь движется в противоположном направлении, хотя направление её спина относительно этой оси не изменилось. Поэтому её спиральность меняется на противоположную. Хиральность — это другое свойство. Она заложена в самой математической структуре частицы и не зависит от того, как относительно неё движется наблюдатель.

Однако с безмассовыми частицами происходит нечто особенное. Вы не можете обогнать безмассовую частицу. Фотон всегда движется со скоростью света, независимо от вашего собственного движения. Поскольку не существует системы отсчёта, в которой вы могли бы обогнать его и изменить направление его кажущегося движения, его спиральность становится навсегда связанной с хиральностью.

Для безмассового фермиона направленность зафиксирована. С частицами, обладающими массой, дело обстоит сложнее. И именно здесь наша удобная картина «одной частицы» начинает распадаться.

Масса и связь между левым и правым

В Стандартной модели левосторонняя и правосторонняя составляющие фермиона — это не просто две позы, которые принимает один и тот же маленький объект. С математической точки зрения это отдельные поля. У электрона есть левосторонняя и правосторонняя компоненты. Поле Хиггса связывает их воедино. Именно эта связь позволяет электрону вести себя как частица с массой.

В Стандартной модели левосторонняя и правосторонняя составляющие электрона с математической точки зрения являются разными полями. Масса связывает их друг с другом: массивный электрон уже нельзя описать только одной из этих двух компонент. Поле Хиггса обеспечивает эту связь, и чем сильнее фундаментальный фермион взаимодействует с полем Хиггса, тем больше его масса.

Поэтому популярная фраза о том, что поле Хиггса просто «придаёт частице вес», немного обманчива. Для фермионов масса означает в том числе связь между левосторонней и правосторонней составляющими.

Чем сильнее частица взаимодействует с полем Хиггса, тем больше её масса. Речь идёт не просто о том, что поле Хиггса «добавляет вес» к уже существующему объекту, как это иногда представляется в популярных объяснениях. Связь между двумя хиральными компонентами — это одно из свойств того, что теории имеют в виду под массой.

Для хорошо знакомых нам заряженных фермионов это не вызывает никаких концептуальных проблем. Возьмём тот же электрон. Слабое ядерное взаимодействие чётко различает его леворучную и праворучную компоненты, но электромагнетизм не придаёт этому такого же значения. Обе компоненты несут электрический заряд. Независимо от того, взаимодействует ли электрон через одну хиральную компоненту или через другую, он всё равно остаётся тем же самым электроном. Его заряд служит ему удостоверением личности.

Заряд электрона равен -1.

Заряд его античастицы, позитрона, равен +1.

Это не метки, которыми можно легко обмениваться. Электрический заряд сохраняется, и различие между электроном и позитроном имеет реальные физические последствия. Если соединить их, они могут аннигилировать, превратившись в другие частицы.

Таким образом, в случае электрона в игру вступают два разных вида различий. Это «лево» и «право», и это «частица» и «античастица». Это не одно и то же.

Вроде бы всё не очень сложно — пока в игру не вступает слабое взаимодействие.

У слабого взаимодействия есть «любимая рука»

В большинстве случаев физика довольно спокойно относится к вопросу о хиральности. Гравитации всё равно, левша вы или правша. Электромагнетизм с удовольствием взаимодействует с заряженными частицами любой хиральности. Сильное ядерное взаимодействие, как правило, не тратит время на то, чтобы проверять, правильно ли кварк держит вилку.

Слабое взаимодействие — другое дело. Оно взаимодействует с фермионами левой хиральности и антифермионами правой хиральности. Это стало одним из величайших потрясений в физике XX века. Физики долгое время полагали, что законы природы должны выглядеть одинаково при зеркальном отражении. Если эксперимент давал результат в одну сторону, его зеркальное отражение должно было быть столь же правомерным. Затем Чень-Шун Ву и её коллеги проверили эту идею с помощью радиоактивного кобальта-60. Эксперимент не удался. Точнее, удался — просто дал не тот результат, которого все ждали. Выяснилось, что слабое взаимодействие различает левую и правую стороны. Получается, что на фундаментальном уровне природа не является идеально зеркально-симметричной.

Вольфганг Паули, который был склонен резко реагировать на неудобные открытия, якобы жаловался, что не может поверить, будто Бог — «левша». Но природе было всё равно.

Для обычных массивных фермионов эта странность не представляет проблемы, поскольку у них существуют обе хиральные компоненты. У электрона имеет правостороннюю компоненту, хотя слабое взаимодействие в значительной степени её игнорирует.

А теперь рассмотрим нейтрино. У нейтрино нет электрического заряда. У них нет цветового заряда, поэтому сильное взаимодействие их не затрагивает. На них действует гравитация, потому что гравитация не особо интересуется вашими предпочтениями. Но почти всё, что мы на самом деле наблюдаем в поведении нейтрино, связано со слабым взаимодействием. И каждое нейтрино, возникающее в результате обычных слабых взаимодействий, является леворучным. А каждое антинейтрино — праворучное.

И это было бы странно, но вполне приемлемо, если бы у нейтрино не было массы. И на протяжении десятилетий физики полагали, что это так. Безмассовое нейтрино могло бы оставаться леворуким навсегда, точно так же, как безмассовая частица может иметь фиксированную спиральность. Но затем эксперименты по осцилляциям нейтрино разрушили эту картину.

Нейтрино меняют «вкус». Электронные нейтрино впоследствии могут стать мюонными или тау-нейтрино, и наоборот. А это явление возможно только в том случае, если у различных состояний нейтрино разные массы. Следовательно, не все нейтрино безмассовые. Они необычайно лёгкие, но масса по крайней мере двух из трёх известных состояний нейтрино отлична от нуля.

И тут у нас возникает проблема. Массивный фермион должен иметь как леворучные, так и праворучные компоненты. Однако слабые взаимодействия показывают нам только леворучные нейтрино и праворучные антинейтрино. Так где же их пропавшие «партнёры»?

Ответ Дирака: они есть, просто их не видно

Самое консервативное решение было удивительно смелым. Предположим, что «пропавшие» нейтрино реально существуют. Просто они практически ничего не делают. Это даёт нам т. н. «нейтрино Дирака», названное в честь Поля Дирака.

Если нейтрино в определённых ситуациях ведут себя как электроны, то их полный набор должен содержать четыре состояния:

• леворучное нейтрино,

• праворучное нейтрино,

• праворучное антинейтрино,

• и леворучное антинейтрино.

Слабые взаимодействия порождают первое и третье из них. Остальные два физики называют «стерильными» по отношению к взаимодействиям Стандартной модели. Праворучное нейтрино не несёт электрического заряда, поэтому электромагнетизм его игнорирует. Оно не несёт цветового заряда, поэтому его игнорирует сильное взаимодействие. А поскольку оно имеет «неправильную» хиральность для слабого взаимодействия, то и оно его игнорирует. Та же логика применима к соответствующему леворучному антинейтрино.

Эти частицы было бы не просто трудно обнаружить. У них вообще не было бы обычных взаимодействий в рамках Стандартной модели, с помощью которых мы могли бы обнаружить их напрямую. Они по-прежнему участвовали бы в гравитационных взаимодействиях, и расширения Стандартной модели могли бы придать им дополнительные взаимодействия, но в самой простой версии они почти идеально скрыты. Что является весьма удачным решением. Невидимые нейтрино есть, просто мы их не можем увидеть.

Тем не менее у представления Дирака есть одно важное достоинство: оно позволяет массе нейтрино функционировать примерно так же, как и массам других фермионов. А как только допускается существование правых нейтрино, появляется ещё одна возможность. Они могут быть чрезвычайно тяжёлыми. Не просто немного тяжелее обычных нейтрино. Не в тысячу раз тяжелее. В некоторых версиях теории — невообразимо тяжелее.

Это приводит нас к «механизму качелей». Математические выкладки позволяют связать состояние очень тяжёлого нейтрино с состоянием чрезвычайно лёгкого. Если увеличить масштаб массы с одной стороны, то наблюдаемая масса нейтрино с другой стороны уменьшится. Это могло бы объяснить то, что иначе оставалось бы глубокой загадкой: почему нейтрино настолько легче электронов, мюонов, кварков и других массивных фермионов. Крошечная масса нейтрино может быть тенью, отбрасываемой огромной тяжёлой частицей, которую мы никогда не видели.

Это изящная идея. К сожалению, физика похоронила много изящных идей. Природа не обязана ценить хорошую математику просто за её красоту. Однако с нейтрино есть ещё одна возможность.

Вопрос Майораны

Электрон и позитрон вынуждены быть разными, поскольку несут противоположные электрические заряды. То же самое верно для кварков и антикварков. Но у нейтрино нет электрического заряда. Так что же, собственно, заставляет нейтрино и антинейтрино быть принципиально разными частицами?

И здесь на сцену выходит Этторе Майорана. В 1937 году он понял, что релятивистские уравнения, описывающие фермионы, допускают существование особого вида нейтральной частицы. Для такой частицы античастица не является отдельным видом. Частица сама по себе является своей античастицей. Сегодня мы называем такой объект майорановским фермионом.

Эта идея кажется более странной, чем она есть на самом деле, потому что мы уже знаем частицы, античастицами которых являются они сами. Одной из таких частиц является фотон. У фотона нет отдельного «антифотона». Его различные состояния поляризации не требуют существования совершенно другого вида античастиц. Фотон электрически нейтрален, и ничто, аналогичное электрическому заряду, не требует различения фотона и антифотона.

Майорана задался вопросом, могут ли нейтральные фермионы обладать подобной свободой. Если нейтрино — майорановские фермионы, то мы до сих пор учитывали их дважды. Состояния, которые в представлении Дирака описываются как праворучное нейтрино и праворучное антинейтрино, не представляли бы фундаментально разных частиц. То же самое касается и леворучных состояний.

Различие между нейтрино и антинейтрино больше не было бы абсолютным. Право- или левосторонность осталась бы решающим фактором, поскольку слабое взаимодействие зависит от неё. Но противопоставление «частица — античастица» стало бы гораздо менее фундаментальным, чем в случае с электроном. Вместо четырёх независимых состояний теории фактически потребовалось бы всего два.

Это чрезвычайно привлекательная возможность. Но привлекательные возможности в теории — это одно, а в экспериментах – это другое. Так как же мы можем «узнать» у нейтрино, является ли оно майорановской частицей? Мы просто очень, очень внимательно наблюдаем за атомными ядрами.

В ожидании почти невозможных действий от атомов

Некоторые ядра могут подвергаться процессу, называемому двойным бета-распадом. При обычном бета-распаде нейтрон превращается в протон с выделением электрона и антинейтрино. В некоторых ядрах обычный одиночный бета-распад энергетически запрещён или сильно подавлен, но там могут одновременно участвовать в нём два нейтрона. В результате образуются два протона, два электрона и два антинейтрино. Этот процесс мы видели, он чрезвычайно редкий, но он существует.

Теперь предположим, что нейтрино является своей собственной античастицей. Один нейтрон подвергается бета-распаду и испускает то, что мы обычно называем антинейтрино. Но если нейтрино и антинейтрино на самом деле являются одной и той же майорановской частицей, то это нейтрино в принципе может поглотить другой нейтрон в том же ядре. Тогда второй нейтрон также преобразуется.

Что в итоге «выходит» из ядра? Два протона. Два электрона. И никаких нейтрино. Этот гипотетический процесс называется безнейтринным двойным бета-распадом. Если бы мы могли его наблюдать, это стало бы революционным открытием. Оно показало бы, что сохранение лептонного числа — величины, которая вроде бы сохраняется в обычных процессах Стандартной модели, — не является точным законом природы. Что ещё важнее для нашей истории, это стало бы убедительным доказательством того, что нейтрино являются майорановыми частицами.

Поэтому физики сооружают под землёй грандиозные экспериментальные установки, где километры горной породы помогают блокировать космические лучи. Они очищают изотопы до невероятной степени чистоты. Они устраняют радиоактивное загрязнение, которое большинство людей сочло бы несуществующим. Они окружают детекторы экранированием, системами охлаждения и таким количеством трубопроводов, что лаборатории начинают подозрительно напоминать объекты, где киношные злодеи изготавливают что-то незаконное. А потом они ждут.

Чего же они ждут? Чтобы ядро распалось именно так, как нужно, выделив ровно столько энергии, сколько ожидается от двух электронов, и так, чтобы при этом никакая энергия не уносилась нейтрино. Пока что никто не нашёл убедительных доказательств такого процесса. Но это не значит, что идея Майораны мертва. Безнейтринный двойной бета-распад может быть невероятно редким явлением. Его частота зависит от масс нейтрино, от того, как сочетаются различные состояния нейтрино, и, возможно, от других физических явлений, которые мы пока не понимаем. Поэтому текущие эксперименты говорят нам в основном о том, что, если этот процесс и происходит, то происходит он очень медленно. Появляются более совершенные детекторы, изучается всё больше изотопов, и ожидание продолжается.

Человек и частица

Спустя почти девяносто лет после исчезновения Этторе Майораны мы до сих пор не знаем, что с ним произошло. Одной из гипотез давно является самоубийство. Другие предполагают, что он сознательно отказался от мирской жизни и ушёл в монастырь. Спустя десятилетия в Южной Америке якобы были зафиксированы случаи его появления. Но чёткого ответа мы так и не получили. Его окончательная судьба до сих пор остаётся где-то на грани между историей и легендой.

Как ни странно, то же самое можно сказать и о частице, носящей его имя. Нейтрино, безусловно, существуют. Они, безусловно, обладают массой. Они, безусловно, ведут себя иначе, чем все другие известные массивные фермионы, и объяснить это по-прежнему сложно. Мы не знаем, наделила ли природа их невидимыми партнёрами по Дираку или же Майорана нашёл более глубокий ответ: что различие между нейтрино и антинейтрино изначально не было фундаментальным.

Возможно, существует целый скрытый сектор праворуких нейтрино. Возможно, невообразимо тяжёлые состояния нейтрино когда-то формировали раннюю Вселенную. Возможно, нейтрино являются своими собственными античастицами, неся в себе ключ к пониманию того, почему вообще существует материя. Или, возможно, природа приготовила какое-то совершенно иное решение, которое заставит все современные теории выглядеть глупо. Когда речь идёт о нейтрино, такая возможность всегда существует. Этторе Майорана задал вопрос: может ли частица быть своей собственной противоположностью? Спустя почти столетие физика всё ещё ждёт ответа.

Лёгкое чтение на ночь по теме

1.      Ettore Majorana (1937), “Teoria simmetrica dell’elettrone e del positrone”

2.      C. S. Wu et al. (1957), “Experimental Test of Parity Conservation in Beta Decay”

3.      Y. Fukuda et al., Super-Kamiokande Collaboration (1998), “Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos”

4.      Peter Minkowski (1977), “μ→eγ at a rate of one out of 10⁹ muon decays?”

5.      Wendell H. Furry (1939), “On Transition Probabilities in Double Beta-Disintegration”

6.      J. Schechter & J. W. F. Valle (1982), “Neutrinoless double-β decay in SU(2)×U(1) theories”

7.      LEGEND Collaboration (2026), “First Results on the Search for Lepton Number Violating Neutrinoless Double-β Decay with the LEGEND-200 Experiment”