К числу наиболее ярких и вместе с тем трудных страниц в истории развития физики в XX веке принадлежит открытие нейтрино. Необычным путем вошла в науку эта новая частица, удивительными оказались ее свойства, и не исключено, что именно с ней связаны самые глубокие тайны природы.
Открытие нейтрино было связано с уверенностью исследователей в справедливости фундаментальных законов физики – законов сохранения. В самом начале ХХ века при изучении бета-распада радиоактивных ядер физики, как скрупулезные бухгалтеры, старались свести баланс энергии. Но он никак не сходился: часть энергии исчезала неведомо куда. Таким образом, под угрозой оказался один из фундаментальных законов физики – закон сохранения энергии.
Спас положение швейцарский физик Вольфганг Паули, в 1930 году высказавший предположение, что при бета-распаде вместе с электроном рождается какая-то частица – невидимка, которая и уносит недостающую часть энергии. Незамеченной эта частица остается потому, что не имеет массы покоя и электрического заряда и не способна отрывать электроны от атома или расщеплять ядра, иными словами, не может производить те эффекты, по которым обычно судят о появлении частицы. К тому же она очень слабо взаимодействует с веществом, а потому может пройти через большую толщу вещества, не обнаруживая себя.
В те годы, когда ученым были известны только электрон, протон и фотон, для подобного предположения была нужна большая научная смелость. После открытия в 1932-м тяжелой нейтральной частицы – нейтрона – итальянский физик Энрико Ферми предложил называть частицу, охарактеризованную Паули, «нейтрино», что буквально означает «нейтрончик». Как выяснилось позднее, гипотеза о существовании нейтрино «спасла» не только закон сохранения энергии, но и законы сохранения импульса и момента количества движения, а также основные принципы статистики частиц в квантовой механике. А сама гипотеза Паули естественным образом вошла в теорию бета-распада, созданную Ферми в 1934 году. Прежде чем стать равноправным членом семьи элементарных частиц, нейтрино еще долгое время оставались чисто гипотетическими частицами. Совершенно необходимые для объяснения многих легко наблюдаемых превращений сами они на протяжении более чем 20 лет оставались неуловимыми.
Наблюдение реакций, связанных с нейтрино, стало возможным только после создания ядерных реакторов. Физики-ядерщики многих стран пытались экспериментально подтвердить существование теоретически «вычисленной» частицы. Ведь для окончательного доказательства существования нейтрино нужно было увидеть его непосредственное воздействие на вещество. Но получилось так, что первыми удалось обнаружить не нейтрино, а его античастицы – антинейтрино, которые в результате бета-распада осколков деления урана при работе атомного реактора испускаются в громадном количестве. Такой опыт был осуществлен в 1953 году американскими учеными Фредериком Рейнесом и Клайдом Коуэном на реакторе в Хэнфорде. Им удалось обнаружить характерную цепочку событий, вызванных антинейтрино. Этот эксперимент, с учетом «призрачности» свойств частиц, получил название проект «Полтергейст». За участие в этих исследованиях и за последующие эксперименты ученый-физик Фредерик Рейнес был в 1995 году удостоен Нобелевской премии.
К 2000-му году было теоретически обосновано и экспериментально подтверждено существование трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино.
Однако это отнюдь не означает завершения исследований в области изучения физики этих частиц. Ученым не терпится узнать, обладает ли нейтрино массой, поскольку результат этих исследований может серьезно поколебать стройную структуру Стандартной модели материи. Подобные эксперименты уже идут в Японии, готовятся в Лаборатории Ферми и планируются в ЦЕРНе. Обнаружение массы нейтрино крайне важно и для астрофизики – это помогло бы разрешить парадокс «скрытой массы» и прояснить проблемы, касающиеся судьбы Вселенной, а также многие другие вопросы космологии.
