Нейтрино за шкирку

Детектор Super-Kamiokande. Фото: Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo сайта www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp
Детектор Super-Kamiokande. Фото: Kamioka Observatory/ICRR/The University of Tokyo сайта www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp

Нобелевская премия по физике 2015 года присуждена японцу Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и канадцу Артуру Макдоналду (Arthur B. McDonald) «за открытие осцилляций нейтрино, показывающих, что у них есть масса». Про драматическую историю исследований «неуловимой частицы» рассказывают докт. физ.-мат. наук, зав. отделом физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН Юрий Куденко и докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. ИЯИ РАН и Астрокосмического центра ФИАН Борис Штерн.

Нейтрино, пожалуй, самая знаменитая и популярная частица из всего «зоопарка» так называемой Стандартной модели. И история ее изучения — самая детективная из историй в физике элементарных частиц. О существовании нейтрино догадались по недостаче энергии в бета-распаде ядер (Вольфганг Паули, 1930); еще не будучи обнаруженной, эта частица была прочно вписана в теорию слабых взаимодействий (Энрико Ферми, 1934). Наконец, прошло более четверти века после выдвижения гипотезы, и нейтрино обнаружили по его взаимодействию в детекторе, который был установлен вблизи ядерного реактора (Райнес и Коуэн, 1956). Неуловимость нейтрино (т. е. очень маленькое сечение взаимодействия с веществом) добавляла популярности: «Если заполнить железом все пространство между Солнцем и Землей, то нейтрино легко преодолеет эту толщу», — так писали в популярных статьях 1960-х. А Владимир Высоцкий пел:

Пусть не поймаешь нейтрино за бороду
И
не посадишь в пробирку,
Было
бы здорово, чтоб Понтекорво
Взял его крепче за шкирку!

В этой песне не случайно упомянут именно Бруно Понтекорво. Еще в 1957 году (уже будучи советским физиком, сотрудником ОИЯИ) он выдвинул идею, что нейтрино могут осциллировать. Здесь мы обязаны остановиться и объяснить, что такое осцилляции частиц.

Это чисто квантовомеханический эффект, который довольно трудно описать на пальцах — как и вообще всю квантовую механику. Впрочем, не стоит комплексовать по этому поводу: как говорил Ричард Фейнман, квантовую механику не понимает никто, просто некоторые с ее помощью умеют получать правильные результаты. Эффект возникает, когда есть две (или больше) близкие по типу частицы А и В. Причем их массы немного различаются, и нет никаких законов, препятствующих переходу А в В и наоборот. Квантовая механика допускает такую вещь, что спокойно жить в свободном состоянии не может ни А, ни В, а только их некоторая комбинация (массовое состояние). А рождаться или участвовать во взаимодействии они могут только в чистом виде — А или В. Итак, допустим, рождена частица А. Но она не может спокойно существовать в таком виде. А что значит «неспокойно»? Она будет превращаться в В, потом снова в А и т. д. — по синусоиде (для простоты опускаем детали). Это и есть осцилляции частиц. Впервые осцилляции были обнаружены в пучках нейтральных K-мезонов. И вот была выдвинута идея, что такому же эффекту может быть подвержено нейтрино. Уже было известно, что существуют по крайней мере два типа нейтрино, но считалось, что их массы, скорее всего, в точности равны нулю и что существует, возможно, строгий закон сохранения так называемого лептонного числа, запрещающий переходы между разными типами нейтрино. Предположение Понтекорво опередило свое время.

* * *

Следующая глава в нейтринном детективе была открыта экспериментом по регистрации солнечных нейтрино, которым руководил Раймонд Дэвис (США). Идею эксперимента выдвинул тот же Бруно Понтекорво: использовать реакцию превращения хлора в радиоактивный изотоп аргона под действием нейтрино. Вообще, методика радиохимических экспериментов по регистрации нейтрино выглядит фантастической: вытащить из огромного объема детектора считанные атомы (!), образовавшиеся от взаимодействия нейтрино, и пересчитать их по распадам.

К середине 1960-х огромная установка с баком, содержащим 378 кубометров перхлор-этилена (моющее средство), расположенным в шахте на глубине полутора километров, была закончена. В конце 1960-х появились первые результаты эксперимента Дэвиса: поток нейтрино от Солнца зарегистрирован, но он оказался примерно в три раза меньше теоретического, рассчитанного Джоном Бакалом.

Хлор-аргоновый метод имеет довольно высокий порог по энергии нейтрино. Он «видит» нейтрино не от основного протонного цикла, а от побочного, борного, который дает малый вклад в солнечную светимость. Из-за этого подозрения пали прежде всего на модель Солнца, использованную Бакалом для расчета потока нейтрино, — может быть, поток для борного цикла завышен? Однако найти ошибку в расчетах не удалось, модель Солнца оказалась достаточно жесткой, чтобы допустить подобное отклонение.

Следующим радикальным шагом стали два галлий-германиевых эксперимента. Идеологически их схема такая же, как и у эксперимента Дэвиса, только в качестве рабочего вещества — галлий. Разница в том, что порог реакции галлий — германий по энергии нейтрино гораздо ниже, так что эксперимент видит нейтрино от основного протонного цикла (метод предложен Вадимом Кузьминым, ИЯИ РАН). Здесь поток нейтрино напрямую определяется светимостью Солнца. В 1988 году галлий-германиевый эксперимент заработал в Приэльбрусье на Баксанской нейтринной обсерватории (ИЯИ РАН). В нем используется 50 тонн галлия (в максимуме 60 тонн, галлий нарабатывался как стратегический запас в 1980-е годы), детектор располагается на глубине полутора километров под горой. Второй подобный эксперимент проведен в Италии, там использовалось около 30 тонн галлия. Различие экспериментов в том, что на Баксане используется чистый металлический галлий, а в Италии — хлорид галлия. Оба эксперимента подтвердили недостачу электронных нейтрино примерно в три раза, причем списать эту недостачу на неверную модель Солнца было невозможно. Пришлось признать, что единственный способ объяснить недостачу — приписать ее нейтринным осцилляциям. В то время уже было известно, что существуют три типа нейтрино — электронное, мюонное и тау Именно поэтому недостача была трехкратной — в результате осцилляций нейтрино они равномерно распределялись между тремя типами, тогда как радиохимический метод чувствителен только к электронному.

Кстати, Баксанский эксперимент продолжает набор статистики и дает указание на то, что, возможно, имеется еще один вид нейтрино: стерильные.

* * *

Следующим шагом в солнечно-нейтринной мистерии стал эксперимент в канадском Садбери (Sudbury neutrino experiment, SNO).

Детектор SNO представляет собой сферу диаметром 18 м, заполненную сверхчистой тяжелой водой весом 1000 тонн. 9500 фотоумножителей регистрируют черенковское излучение от заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия нейтрино с D2O. Тяжелая вода использовалась не случайно — в эксперименте ключевую роль играл дейтерий
Детектор SNO представляет собой сферу диаметром 18 м, заполненную сверхчистой тяжелой водой весом 1000 тонн. 9500 фотоумножителей регистрируют черенковское излучение от заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия нейтрино с D2O. Тяжелая вода использовалась не случайно — в эксперименте ключевую роль играл дейтерий

Суть в том, что все радиохимические методы использовали реакции с превращением нейтрино в электрон (так называемый заряженный ток). Именно поэтому радиохимические эксперименты чувствительны только к электронному нейтрино — мюонное должно во взаимодействии подобного типа родить мюон, тау-нейтрино — тау лептон, а для этого у них не хватает энергии. Но есть и другой канал взаимодействия, когда нейтрино остается самим собой, но передает часть энергии другой частице (так называемый нейтральный ток). В частности, любое нейтрино за счет нейтрального тока может развалить дейтрон. А нейтрон от развала затем оставляет четкую метку — гамма-квант, — поглощаясь атомом дейтерия.

Таким образом, детектор чувствителен ко всем типам активных нейтрино: электронному, мюонному и тау-нейтрино. Причем электронные нейтрино пересчитываются отдельно через заряженный ток. В результате было обнаружено, что полный поток нейтрино от Солнца находится в согласии со Стандартной солнечной моделью (ССМ), а поток электронных нейтрино составляет величину около 1/3 от потока, предсказанного ССМ. Таким образом, в эксперименте было показано, что дефицит электронных нейтрино от Солнца, обнаруженный в радиохимических экспериментах, происходит за счет превращений одного типа нейтрино в другой, т. е. явлением осцилляций.

Результат SNO: поток мюонных и тау-нейтрино от Солнца vs поток электронных нейтрино
Результат SNO: поток мюонных и тау-нейтрино от Солнца vs поток электронных нейтрино

И всё же остался еще один вопрос. Дело в том, что существует так называемый эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна (Михеев и Смирнов работали в ИЯИ РАН). Осцилляции нейтрино в вакууме могут происходить не полностью: нейтрино, рожденное как электронное, может переходить в другие виды нейтрино лишь частично – здесь играет роль так называемый угол смешивания. Благодаря эффекту Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, смешивание нейтрино, летящих в веществе (а именно внутри Солнца) меняется и при определенной плотности электронов становится максимальным, так что одно нейтрино перемешивается равномерно во все три типа, что и показали наблюдения. Но то, как реально смешиваются нейтрино в вакууме, еще предстояло измерить.

* * *

Следующий шаг в нейтринной драме — японский эксперимент Super-Kamiokande.

Его детектор — это огромная бочка из нержавеющей стали диаметром 39,3 м и высотой 41,4 м, заполненная чистой водой, которая просматривается 11 тыс. фотоумножителей, установленных в стенках детектора. Общая масса детектора — 50 тыс. тонн. Фотоумножители регистрируют черенковское излучение мюонов, рожденных в детекторе. Установка, как и вышеперечисленные детекторы нейтрино, расположена глубоко под землей для защиты от фона. Ее основная «добыча» — нейтрино средних энергий (сотни МэВ), рожденные в атмосферных ливнях. Детектор различает нейтрино, идущие сверху и снизу — т. е. те, что прошли Землю насквозь. Результат эксперимента показан на рисунке справа.

Зарегистрированный поток мюонных нейтрино, прошедших через Землю в вертикальном направлении, т. е. снизу вверх, оказался в два раза меньше потока нейтрино, летящих из атмосферы, т. е. сверху вниз. Полученный результат объясняется осцилляциями мюонных нейтрино в тау-нейтрино. Причем в данном случае осцилляции не могут описываться эффектом Михеева — Смирнова — Вольфенштейна — толщи Земли при таких энергиях недостаточно. Это значит, что смешивание между мюонным и тау-нейтрино велико.

На этом рисунке представлен основной результат Super-Kamiokande. Зависимость числа мюонов, регистрируемых в детекторе Super-Kamiokande от нейтринных взаимодействий, от направления атмосферных нейтрино по отношению к зениту. С сайта www.hyper-k.org
На этом рисунке представлен основной результат Super-Kamiokande. Зависимость числа мюонов, регистрируемых в детекторе Super-Kamiokande от нейтринных взаимодействий, от направления атмосферных нейтрино по отношению к зениту. С сайта www.hyper-k.org

Результаты, полученные в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино, были подтверждены в реакторных и ускорительных экспериментах, в которых использовались «рукотворные» нейтрино — от бета-распадов в активной зоне реактора (электронные антинейтрино) и от распадов, рожденных в протон-ядерных соударениях пионов (мюонные нейтрино и антинейтрино). Так, например, измеренные параметры осцилляций в реакторном эксперименте KamLAND (Япония) находятся в прекрасном согласии с параметрами, полученными в экспериментах с солнечными нейтрино. Параметры осцилляций, измеренные в ускорительных экспериментах К2К и Т2К (Япония) и MINOS (США), совпадают с результатами Super-Kamiokande. Эксперимент Т2К открыл осцилляции мюонных нейтрино в электронные нейтрино, а реакторные эксперименты Double Chooz (Франция), Daya Bay (Китай) и RENO (Корея) измерили последний неизвестный угол смешивания между первым и третьим массовыми состояниями. Фактически, в этих экспериментах осцилляционная физика претерпевает качественное превращение — плавный переход из стадии открытий в стадию прецизионных измерений. Это, конечно, не исключает новых неожиданных результатов и открытий, на которые так щедра нейтринная физика. В частности, на первый план выходит фундаментальная проблема СР-нарушения в нейтринных осцилляциях и экспериментальное обнаружение этого эффекта, которое стало возможно благодаря тому, что все три угла смешивания нейтрино отличны от нуля и имеют большие величины.

* * *

Сейчас в основе физики частиц лежит так называемая Стандартная модель — в ней есть сильные, слабые, электромагнитные и чуть особняком гравитационные взаимодействия. В ней присутствует джентльменский набор частиц, включающий среди прочего три поколения лептонов и кварков. Нейтрино — лептон, их три штуки, и в Стандартной модели их масса равно нулю. Если нет, то приходится объяснять, почему она столь мала — по крайней мере в миллион раз легче следующей самой легкой частицы — электрона. В Стандартной модели попросту нет такого параметра, чтобы дать разницу масс в миллион. А разность масс еще меньше и требует еще меньшего параметра. Это не значит, что осцилляции нейтрино опровергают Стандартную модель. Это значит, что она должна быть расширена — за ее пределами существует Новая Физика. Один из интересных вариантов — существование очень тяжелых частиц, где-нибудь 1015 ГэВ, — есть эффект, где масса тяжелой частицы оказывается в знаменателе в выражении для связанной с ней массы легкой частицы.

Это четвертая (или пятая, если считать премию Ли и Янга в 1957 году за «проницательное исследование так называемых законов четности, которое привело к важным открытиям в физике элементарных частиц») Нобелевская премия, связанная с физикой нейтрино. Похоже, что не последняя, так как детективная нейтринная эпопея далеко не закончена.

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

Связанные статьи

avatar
4 Цепочка комментария
6 Ответы по цепочке
0 Подписки
 
Популярнейший комментарий
Цепочка актуального комментария
7 Авторы комментариев
Валерий МорозовAlexeiБ.ШтернАлександр КауровВладимир К Авторы недавних комментариев
  Подписаться  
Уведомление о
Юрий Кирпичев
Юрий Кирпичев

Отличный обзор!

Сергей Сергеев
Сергей Сергеев

Обзор был бы отличный если бы в нём не выдавались гипотезы за факты (стерильные нейтрино), а факты преподносились бы без истолкований (весь остальной текст).

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

«Указание на то, что возможно» — это преподнесено как факт? А насчет «без истолкований» в популярной статье, это как? Без каких именно истолкований? Приходится квалифицировать как «брюзжания пост».

Alexei
Alexei

Борис, кликнув на имя Сергея Сергеева попадаешь на его сайт, из которого сразу становится понятно, что на его критику можно даже не реагировать.

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

ОК, спасибо!

Валерий Морозов
Валерий Морозов

А я вот пожалуй отреагирую.
Редкий экземпляр.
Не то, что бы сильно оригинальный… Но кунсткамеру украсит, я так думаю.

Владимир К
Владимир К

Вызывает удивление и — если это правильно — восхищение, что модель Солнца и расчет Бакала потока нейтрино оказались столь жесткими.
Хорошо бы дать коридор для потока нейтрино от Солнца — это ведь не может быть абсолютно точное число, и пояснить, почему модель настолько жесткая.
В.К.

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

Насколько я помню (это вообще говоря не моя тема), там очень крутая зависимость энерговыделения Солнца от температуры (пятая степень, кажется). Поэтому температура оказывается очень сильно зажатой, отсюда и жесткость. Но не уверен — надо посмотреть.

Александр Кауров
Александр Кауров

Спасибо. Очень интересно.

Борис Штерн
Редактор
Борис Штерн

В статье была ошибка про эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна — он не дает осцилляций для нейтрино с нулевой массой, он влияет на смешивание нейтрино, делая его максимальным при определенной плотности. Благодаря этому солнечные нейтрино равномерно распределены по трем типам. Сейчас ошибка исправлена.

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: