Обнаружение нового типа осцилляций нейтрино

15 июня 2011 г. международный эксперимент Т2К (Tokai-to-Kamioka) объявил о детектировании 6 событий, являющихся кандидатами в электронные нейтрино. Были проанализированы данные, накопленные во время проведения эсперимента с пучком мюонных нейтрино с января 2010 г. до землетрясения в Японии 11 марта 2011 г. Впервые получено прямое экспериментальное указание на осцилляции мюонных нейтрино в электронные нейтрино.

Немного о свойствах нейтрино

В природе существует три типа нейтрино — электронное (ve), мюонное (v ) и тау-нейтрино (vt), которые, являясь нейтральными лептонами, связаны с соответствующими заряженными лептонами электроном, мюоном и тау-лептоном. У каждого нейтрино есть своя античастица — антинейтино. Каждый тип нейтрино имеет свое лептонное число, то же, что и его напарник — заряженный лептон. Слабое взаимодействие, в котором участвуют нейтрино, сохраняет лептонные числа. Например, мюон при распаде обязан испустить мюонное нейтрино. В стандартной Модели нейтрино являются безмассовыми частицами, которые в процессе распространения со скоростью света не могут изменять свой аромат (тип), т.е. не смешиваются, так как законы сохранения лептонного числа постулированы для каждого из трех семейств лептонов по отдельности.

Действительность оказалась сложнее. Существует интересный кванто-механический эффект: осцилляции частиц. Частицы могут переходить друг в друга на лету, если это не запрещено законами сохранения. В свободном полете «живет» не частица определенного сорта, а «массовое состояние» — комбинация двух частиц, переходящих друг в друга. Допустим, при рождении массовое состояние представлено частицей одного сорта, тогда через некоторое время оно превращается в другой сорт, потом обратно, и т.п. Период превращений обратно пропорционален разности квадратов масс частиц (т.е. хотя бы у одной из них должна быть ненулевая масса). Переход может быть не полным, т.е. появляется лишь квантомеханическая примесь второй частицы, при этом величина примеси определяется параметром, который называется «угол смешивания» частиц. Гипотеза об осцилляци-ях нейтрино была впервые выдвинута Б.М. Понтекорво в 1957 г.

Оказалось, нейтрино осциллируют! Значит они имеют малую ненулевую массу, смешиваются, и ароматы нейтрино (лептонные числа) не сохраняются. Нейтрино, участвующие в слабых взаимодействиях, являются линейной комбинацией собственных массовых состояний vr v2, v3, которым соответствуют массы mt, m2, m3. Фи -зика нейтринных осцилляций описывается унитарной матрицей, которая в общем виде параметризируется через три угла смешивания 912, 923 и 913, одну СР нечетную фазу 5 и две Майорановские фазы.

Нейтрино участвуют в слабых взаимодействиях как ve, v , vt, т.е имея определенный аромат. А чтобы увидеть эффект из смешивания, надо работать с массовыми состояниями, которые могут проявить себя в процессе распространения нейтрино как свободных частиц через вакуум. Нейтрино, которое было чисто мюонным в момент рождения (t = 0), через временной интервал (t > 0) уже не является таковым, приобретая некую примесь электронного нейтрино.

Измерение осцилляций может быть выполнено двумя способами. Один метод заключается в измерении известного начального потока нейтрино и наблюдении уменьшения этого потока по сравнению с предскзанной величиной в отсутствие осцилляций.

Этот метод называется экспериментом на «исчезновение». Другой метод заключается в детектировании нейтрино аромата р в пучке нейтрино, который изначально состоит только из нейтрино аромата а. Этот метод называется экспериментом на «появление».

Эксперименты с солнечными, атмосферными, реакторными и ускорительными нейтрино однозначно установили, что нейтрино смешиваются. Из солнечных и реакторных экспериментов получена величина 0 ~34°, а из экспериментов с атмосферными и ускорительными нейтрино следует, что 023 ~45°. Для угла смешивания 0 в эксперименте CHOOZ было получено ограничение сверху около 12°. В отличие от кварков, нейтрино обладают большими углами смешивания, что явилось неожиданным результатом. Чтобы получить полную картину нейтринных осцилляций, необходимо получить три кусочка недостающей информации: 1) измерить величину угла 0 ; 2) определить СР нечетную фазу 5; 3) выяснить, какая иерархия масс (m3 > m2 или m2 > m3) реализуется в природе. Поиск осцилляций v ——ve и измерение угла 013 в настоящее время являются одной из ключевых проблем нейтринной физики. Это связано как с пониманием природы осцилляций, так и с поиском СР нарушения в лептоном секторе.

Эксперимент Т2К

Главной целью первого этапа эксперимента Т2К являются поиск осцилляций v —ve и измерение угла 013. Следующий этап (в случае ненулевой и не малой величины 013) — это измерение с пучком мюонных антинейтрино, поиск СР нарушения и измерение фазы 5. В коллаборацию Т2К входят более 500 ученых и инженеров, представляющих 59 институтов из 12 стран мира. От России в эксперименте участвует ИЯИ РАН.

Основными элементами установки Т2К являются нейтринный канал, комплекс ближних нейтринных детекторов на расстоянии 280 м от мишени и дальний детектор нейтрино

Рис. 1. Схема эксперимента Т2К. нейтрино пролетают от нейтринного канала в J-PARC через ближний детектор ND280, а затем в течение 1 миллисекунды проходят 295 км в толще земли до дальнего детектора СуперКамиоканде.

СуперКамиоканде, расположенный под горой Икенояма. От места своего рождения до регистрации в СуперКамиоканде нейтрино пролетают в толще Земли расстояние 295 км, как показано на рисунке 1.

В эксперименте используется чистый (примесь электронных нейтрино в максимуме спектра составляет менее 0,5%) -пучок мюонных нейтрино, энергия которых имеет небольшой разброс и настроена на первый осцилляционный максимум. Такой пучок получается за счет использования кинематики распада пионов, рожденных при взаимодействии протонов с мишенью, на мюоны и мюонные нейтрино и выбора направления нейтрино по отношению к направления протонного пучка. Приближенное выражение для переходов мюонных нейтрино в электронные выглядит следующим образом.

Для угла между протонным пучкоми направлением на дальний детектор 2,5 градуса максимум интенсивности спектра нейтрино соответствует энергии 600 МэВ, что позволяет настроиться на максимальную чувствительность к осцилляциям нейтрино, соответствующую максиму вероятности в приведенной выше формуле для выбранной пролетной базы 295 км и параметров Dm213 = 2,4'103 эВ2, sin22q23 ~ 1,0, полученных из «атмосферных» осцилляций.

Рис. 2. Ближний нейтринный детектор. POD — детектор нейтральных пионов; TPC — время-проекционные камеры; FGD— сегментированные сцинтилляционные детекторы; Ecal — электромагнитный калориметр; SMRD — детектор пробега мюонов. Магнит, который использовался ранее в экспериментах UA1 и NOMAD в ЦЕрне, создает магнитное поле 0,2 т.

Ближний нейтринный детектор (ND280) используется для измерений исходного (до осцилляций) нейтринного пучка, для постоянного контроля за его параметрами и для измерений нейтринных сечений в области энергий около 1 ГэВ. ND280 состоит из двух детекторов. Один детектор, расположенный на оси пучка, контролирует интенсивность, профиль и направление пучка с точностью лучше 1 мрад. Второй детектор (off-axis) — это комплексная установка, состоящая из нескольких детекторов (один из которых — детектор пробега мюонов (SMRD) — был разработан и создан в ИЯИ РАН), позволяющих контролировать направление нейтринного пучка, измерять энергию нейтрино с точностью около 15 МэВ и измерять сечения взаимодействия нейтрино через заряженные и нейтральные токи. Основные элементы off-axis детектора, расположенного под углом 2,5 градуса, показаны на рисунке 2. Для измерения импульса и заряда частиц используется магнитное поле, создаваемое магнитом, который ранее использовался в ЦЕРНе в экспериментах UA1 и NOMAD.

Дальний детектор СуперКамиоканде представляет собой гигантский бак диаметром 39 м и высотой 42 м, заполненный чистой водой. По стенкам, дну и крыше детектора с шагом 70 см расположено около 11000 больших фотоэлектронных умножителей, которые регистрируют черенковское излучение от заряженных частиц, появляющихся в результате взаимодействия нейтрино с веществом детектора. Детектор регистрирует нейтрино в диапазоне от энергий 4,5 МэВ до 1 ТэВ. Размер, направление и форма черенковского конуса используются для идентификации события: одно-кольцевое мюоноподобное, однокольцевое электроноподобное или многокольцевое событие. Мюонопо-добное кольцо от черенковского излучения мюона имеет форму с резкими краями, а кольцо от электрона имеет размытую форму. Временная синхронизация с протонным пучком осуществляется через навигационную систему GPS с точностью около 50 наносекунд. Такая точность позволяет наблюдать временную структуру зарегистрированных нейтринных событий и ее соответствие временной структуре протонного пучка, что позволяет подавить фон от атмосферных нейтрино до пренебрежимо малого уровня. Нейтринные события регистрировались в интервале ±500 мксек по отношении к ожидаемому времени появления нейтрино от J-PARC.

Рис. 3. Черенковское кольцо от электрона, появившегося в детекторе СуперКамиоканде в результате взаимодействия электронного нейтрино с рождением электрона.

Создание нейтринного канала и ближнего нейтринного детектора было начато в апреле 2004 г. и завершено в 2009 г. Набор статистики был начат в январе 2010 г. За это время в активном объеме детектора 22,5 кт было зарегистрировано 88 нейтринных событий, энергия которых была более 30 МэВ и полностью измерялась в детекторе. Все эти события находились во временном интервале от -2 до 10 мксек по отношению к временному триггеру, синхронизованному со структурой протонного пучка, в то время, как уровень фона от атмосферных нейтрино в этом временном интервале составил всего 0,003 события. После дополнительного анализа 6 событий были идентифицированы как электроноподобные события, появившиеся в результате взаимодействия в детекторе электронных нейтрино с энергией от 100 до 1250 МэВ через заряженный ток (т.е. с рождением электрона и исчезновением нейтрино). Одно из таких событий показано на рисунке 3.

Ожидаемое число таких событий, предполагая отсутствие осцилляций v^—»ve (для 913 = 0), составило величину 1,5 ± 0,3. Основной вклад в фоновые события дают электронные нейтрино, содержащиеся в исходном пучке мюонных нейтрино, а также вклад от нейтральных пионов, возникающих в результате взаимодействия мюооных нейтрино через нейтральные токи. Распределение по энергии зарегистрированных электоноподобных событий показано на рисунке 4.

Рис. 4. Энергетический спектр нейтринных событий. точки представляют экспериментальные данные со статистическими ошибками. заштрихованные гистограммы показывают результаты моделирования: красный цвет соответствует сигналу для sin22q13 = 0,1, зеленый и голубой цвет соответствуют основным фоновым процессам.

Вероятность того, что 6 событий появились в результате флуктуации фоновых событий, а не стали результатом осцилляций, составляет 0,7 %. Таким образом, с вероятностью 99,3% этот результат может быть интерпретирован как указание на осцилляции v —ve. Центральная величина для sin22913 составляет 0,11 для нормальной иерархии масс нейтрино (m3 > m2) и 0,14 для инверсной иерархии (m3 < m2) в случае 5 = 0.

Т2К набрал до 11 марта 2011 г., когда произошло землетрясение и цунами в Японии, примерно 2% от статистики, которую планируется набрать за все время эксперимента. К счастью, землетрясение не нанесло фатальных повреждений ускорительному комплексу J-PARC, нейтринному каналу и детектору ND280. Сейчас идут интенсивные восстановительные работы, и одновременно проводится модернизация некоторых элементов, чтобы поднять интенсивность протонного пучка. Мы ожидаем, что набор статистики возобновится в конце 2011 г., и к окончанию первой фазы эксперимента число нейтринных событий в СуперКамиоканде увеличится примерно в 50 раз, что позволит существенно повысить точность уже известных осцилляционных параметров и измерить угол 913 с хорошей точностью. Нейтринный эксперимент MINOS (Фермилаб, США) представил 24 июня новый результат по поиску осцилляций v —ve . Было обнаружено 62 события, интерпретируемые как электронные нейтрино. Несмотря на большее число событий, точность результата ниже, так как ожидаемый фон составляет 50 событий. Этот результат находится в согласии с нашим результатом, хотя достигнутая в MINOS чувствительность позволяет только сделать заключение, что величина 913 = 0 исключена на уровне 89% CL. В ближайшее время также должны появиться первые результаты экспериментов DoubLeChooz (Франция), Reno (Корея), Daya Bay (Китай), которые измеряют угол 913, используя реакторные антинейтрино.

Вторая фаза эксперимента Т2К ставит своей целью поиск СР нарушения в лептонном секторе. Для этого будут проведены эксперименты с пучком мюонных антинейтрино и выполнены измерения осцилляций мюонных антинейтрино в электронные антинейтрино. Сравнение вероятностей таких осцилляций для нейтрино и антинейтрино позволит получить первую информацию о нарушении СР инвариантности в лептонном секторе.

Заключение

Результат, полученный в эксперименте Т2К, безусловно, является знаменательным событием в нейтринной физике. От результатов Т2К в значительной степени зависит дальнейшее развитие исследований с ускорительными и реакторными нейтрино. Вместе с результатами других экспериментов Т2К существенно улучшает наше понимание свойств нейтрино, и вполне вероятно, что мы стоим на пороге нового, исключительного интересного этапа в нейтринной физике. Эти исследования могут пролить свет на проблему объединения кварков и лептонов, а также на роль нейтрино в возникновении барионной асимметрии Вселенной, т.е. явиться ключом к разгадке одной из тайн природы о преобладании вещества над антивеществом во Вселенной. Как это уже случалось не раз в нейтринной физике, возможно появление новых и, весьма вероятно, совершенно неожиданных результатов.

Юрий Куденко,
ИЯИ РАН

T2K CoLLaboration, arXiv: 1106.2822

T2K CoLLaboration, arXiv: 1106.1238

http://minos-docdb.fnal.gov

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (Пока оценок нет)
Загрузка...
 
 

Метки: , ,

 

4 комментария

  • victor1:

    Нейтрино в природе нет!

    Для того чтобы говорить о существовании нейтрино, необходимо было детектировать его в свободном состоянии. Считается, что такое экспериментальное подтверждение удалось сделать Ф. Райнесу и К. Коэну, используя ядерный реактор деления в качестве источника частиц, и хорошо экранированный сцинтилляционный детектор.

    Однако считать реактор источником нейтрино нет никаких оснований, так как тепловой баланс распада урана сходится с точностью около 5%, и именно этот процент отводится энергии нейтрино. Физики предполагают, что нейтрино рождается при распаде нейтрона на протон, электрон и антинейтрино. Максимальная энергия этого процесса (Е0 ~ 0.78 Мэв) измерена. Ее также можно оценить по формуле Е0 = е2/r ~ 0.78 Мэв, где е – заряд электрона, r – расстояние между протоном и электроном в момент его рождения. Вся эта энергия расходуется на его выброс из зоны действия сил притяжения между ними, так как электрон не может находиться на произвольном расстоянии от протона. В крайнем случае, может образоваться атом водорода, но энергия электрона в этом случае много меньше указанной величины. Если бы часть энергии уносилась нейтрино, электрон падал бы на протон, но связанной частицы протон-электрон в природе не наблюдается. Как видим, при распаде нейтрона нет места энергии нейтрино. Таким образом, атомный реактор, скорее всего, не является их источником.

    Счет полезных событий составлял всего лишь в среднем 40 штук в сутки! Вместе с тем, по теории Ферми полное число реакций должно было быть около 2000. Фактически в этом случае можно говорить об отсутствии эффекта. Однако посчитали, что в борьбе с фоном пришлось ввести слишком много критериев отбора полезных событий, и, тем самым, снизить эффективность регистрации нейтрино. В дальнейшем результаты экспериментов подогнали под теорию и сообщили о регистрации нейтрино.

    С учетом всего выше сказанного можно с большой долей вероятности утверждать, что в природе нейтрино не существует. Фактически на результатах недобросовестных экспериментов создали недобросовестную теорию, и результаты последующих экспериментов подгоняют под нее. Впоследствии Райнесу за это была присуждена Нобелевская премия.

    Ложь хорошо оплачивается, затраты на исследования исчисляются миллиардами. Вся дальнейшая физика нейтрино развивается по этому сценарию! Ничем не лучше и приводимые эксперименты. Их хвалебную интерпретацию (или сознательную ложь) никто не сможет опровергнуть в силу и огромной сложности эксперимента. Нейтрино это, скорее всего, грандиозная научная мистификация.

    Современная релятивистская физика превратилась в весьма доходный бизнес! Увы, подлог и фальсификации — непременные спутники всех «передовых» научных исследований особенно там, где вращаются большие деньги.

    Соколов В.М. Есть ли в природе нейтрино? Современные наукоемкие технологии. 2010. № 5. С. 75-80.

  • Все 27 лет (с 14 лет), которые имею какое-то представление о физике элементарных частиц, как болельщик (всё-таки сам химик, а в физике мой уровень знаний лишь любительский) радуюсь каждой новости о свойствах нейтрино, которые так важны для понимания всей физики в целом и с таким огромным трудом достаются. Интересно, в частности, какое нейтрино всё же окажется тяжелее: нейтрино 1 или нейтрино 2? (помню, что оба они смеси — а у электронного, мюонного и таонного нейтрино, по аналогии с «чистыми» u-s и s-u состояниями каонов, массы не могут быть определены, они есть лишь у смешанных состояний)

    А вот анти-учёные, один из которых уже забрался и в это обсуждение (ещё одного подобного ранее видел на публичной лекции Юрия Цолаковича Оганесяна, анонсировавшейся Элементами года 3 назад), производят впечатление наличия особого психического расстройства истероидного характера — их главным движущим мотивом, который может быть и вытеснен полностью в подсознание и на словах яростно отвергаться, является привлечение к себе как можно большего внимания, а каким способом — выбирает уже вытесненная в подсознание программа: многолетний упорный коллективный труд ради скудных крупиц истины программа отбрасывает как негодный для своей реальной цели, а вот клевета на чужие результаты, доставшиеся таким трудом, этой подсознательной программе в самый раз! Противопоставление себя всем остальным, даже если все остальные правы, мгновенно привлекает внимание к «диссиденту», особенно в корреляции с усиливающим алгоритмом действия современных СМИ (в действительности обычно — средств массовой дезинформации), героизирующим любую девиантную особь: преступника или извращенца любой разновидности, бездарных претендентов в «люди искусства» — не умеющего ничего узнаваемо изобразить «абстракциониста», не способного рифмовать рэппера или верлибриста, представляющего свои естественные отправления как «инсталляцию» актуала, и прочие концентрированные выражения социальной энтропии, которые в здоровом организме надежно обезвреживаются механизмами апоптоза и иммунной системы. Но многочисленные исторические закономерности, установленные Львом Гумилёвым, Шпенглером и другими представителями сравнительной культурологии и этнологии (с медицинской стороны проблему рассмотрел Валерий Слёзин), показывают, что эти особенности современной цивилизации имели многочисленные параллели в обществах прошлого, находившихся на закате своего величия или на грани своего полного краха... Людям, в которых ещё сохранился здоровый инстинкт жизни, стоит приложить максимум сил, чтобы не наступать на исторические грабли, что в эру ОМП может быть для человечества фатальным, и, рискуя собой в условиях деградировавших норм, пытаться всячески бороться с аутоиммунными, раковыми и неизлечимо зараженными клетками социума, даже если это нарушает «законные права и свободы» последних на разрушительную для сверхорганизма человечества деятельность.

  • Извиняюсь, описался — нейтральные каоны не из u и S кварка и антикварка, а из d и s...

  • Иосиф Лифшиц:

    Ваша цитата: «...выяснить, какая иерархия масс (m3 > m2 или m2 > m3) реализуется в природе. ...». Мои корректировки: Я думал (по наивности) что иерархия нейтринных масс установлена в 2001 году немецкой группой (в 2006 они подтвердили это на уровне больше 6 сигм!!!, достаточно для статистики), работавшей с германиевыми детекторами в Гран-Сассо, что нейтрино имеет природу «degeneracy» или «inverse». И их статистика (количество событий) намного больше (чем у Японцев по данной задаче), а значит результат более убедительный.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com