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 эксперимента 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 (ν_e), мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), которые, являясь нейтральными лептонами, связаны с соответствующими заряженными лептонами — электроном, мюоном и тау-лептоном. У каждого нейтрино есть своя античастица — антинейтрино. 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 квантомеханический 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 осцилляциях 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 ν₁, ν₂, ν₃, которым соответствуют массы m₁, m₂, m₃. Физика нейтринных осцилляций описывается унитарной матрицей, которая в общем виде параметризируется через три угла смешивания θ₁₂, θ₂₃ и θ₁₃, одну СР нечетную фазу δ и две майорановские фазы.

Нейтрино участвуют в слабых взаимодействиях как ν_e, ν_μ, ν_τ, т. е. имея определенный аромат. А чтобы увидеть эффект их 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 предсказанной величиной в отсутствие осцилляций.

Этот метод называется экспериментом на «исчезновение». Другой метод заключается в детектировании нейтрино аромата β в пучке нейтрино, который изначально состоит только из нейтрино аромата α. 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 θ₁₂ ~ 34°, а из экспериментов с атмосферными и ускорительными нейтрино следует, что θ₂₃ ~ 45°. Для угла смешивания θ₁₃ 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 θ₁₃; 2) определить СР нечетную фазу δ; 3) выяснить, какая иерархия масс (m₃ > m₂ или m₂ > m₃) реализуется в природе. Поиск осцилляций ν_μ → ν_e и измерение угла θ₁₃ 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 ν_μ → ν_e и измерение угла θ₁₃. Следующий этап (в случае ненулевой и не малой величины θ₁₃) — это измерение с пучком мюонных антинейтрино, поиск СР-нарушения и измерение фазы δ. 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.

СуперКамиоканде расположен под горой Икенояма. От места своего рождения до регистрации в СуперКамиоканде нейтрино пролетают в толще Земли расстояние 295 км, как показано на рис. 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 направлению протонного пучка. Приближенное выражение для переходов мюонных нейтрино в электронные выглядит следующим образом.

Для угла между протонным пучком и 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.

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 рис. 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: однокольцевое мюоноподобное, однокольцевое электроноподобное или многокольцевое событие. Мюоноподобное 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.

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 мкс 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 рис. 3.

Ожидаемое число таких событий, предполагая отсутствие осцилляций ν_μ → ν_e (для θ₁₃ = 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 мюонных нейтрино через нейтральные токи. Распределение по энергии зарегистрированных электроноподобных событий показано на рис. 4.

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 ν_μ → ν_e. Центральная величина для sin²2θ₁₃ составляет 0,11 для нормальной иерархии масс нейтрино (m₃ > m₂) и 0,14 для инверсной иерархии (m₃ < m₂) в случае δ = 0.

Т2К набрал до 11 марта 2011 г., когда произошло землетрясение и цунами в Японии, примерно 2% от статистики, которую планируется набрать за всё 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 θ₁₃ с хорошей точностью. Нейтринный эксперимент MINOS (Фермилаб, США) представил 24 июня новый результат по поиску осцилляций ν_μ → ν_e. Было обнаружено 62 события, интерпретируемых 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 θ₁₃ = 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 θ₁₃, 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