Выход в новую физику

Ученые рассказали «Чердаку» об охоте за самой загадочной частицей Вселенной

Так рождается сигнал, когда нейтрино взаимодействует с веществом детектора

Нейтрино, пожалуй, самые загадочные из известных элементарных частиц. Они почти не взаимодействуют с веществом, поэтому их очень трудно «ловить», но именно нейтрино во многом определили облик Вселенной. «Чердак» узнал у физиков, работающих на нейтринном эксперименте NOvA, как ученые ловят эти частицы и почему это столь важно.

В начале августа эксперимент NOvA зарегистрировал осцилляции нейтрино. Сразу трое физиков, участвующих в эксперименте: академик, директор Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) Виктор Матвеев, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН, доктор физико-математических наук Анатолий Буткевич и начальник отдела лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, доктор физико-математических наук Александр Ольшевский — рассказали «Чердаку», чем замечательны нейтрино, почему так важно наблюдать их осцилляции и как нейтрино заставили ученых корректировать главную теорию физики фундаментальных частиц — Стандартную модель.

— Что это за частицы — нейтрино?

— Ровно 85 лет назад великий немецкий физик Вольфганг Паули высказал гипотезу о существовании этой частицы для объяснения вставшей в то время перед физикой серьезной проблемы с видимым несохранением энергии в радиоактивных распадах. Столь серьезный вызов приводил некоторых даже к предположению о неприменимости законов квантовой механики к описанию процессов радиоактивного распада. Паули предположил, что существует некая нейтральная частица, названная впоследствии нейтрино, которая очень слабо взаимодействует со всем другим веществом во Вселенной и проявляет себя лишь в том, что уносит часть энергии, выделяющейся в процессе ядерного распада. Cам Паули был уверен, что эти частицы в принципе не удастся наблюдать экспериментально — есть даже история о его споре по этому поводу и проигранном шампанском. Впервые нейтрино обнаружили в экспериментах на ядерных реакторах в 1956 году.

Эти частицы лежат в основе теории радиоактивных распадов и слабого взаимодействия (одного из четырех фундаментальных взаимодействий в природе наряду с сильным, электромагнитным и гравитационным, которое, в частности, отвечает за радиоактивный распад тяжелых ядер — прим. «Чердака»). Слабое взаимодействие и его объединение с электромагнитным, в свою очередь, лежит в основе Стандартной модели — современной теории элементарных частиц, объясняющей их свойства и взаимодействия. Таким образом, именно нейтрино подсказали некоторые особенности современной теории. Здесь нельзя не заметить, что, несмотря на слабое взаимодействие нейтрино с остальным веществом, нейтрино играет исключительно важную роль в процессах горения звездного вещества, в эволюции Вселенной. Не будь нейтрино, окружающий мир был бы совсем иным, а существование Солнечной системы с ее планетами и жизнью на Земле вряд ли было бы возможным.

— Нейтрино как-то отличаются друг от друга?

— Существуют три типа нейтрино, и они рождаются в слабых взаимодействиях вместе с другими частицами, так называемыми заряженными лептонами: вместе с электроном рождается электронное нейтрино, с мюоном — мюонное, с тау-лептоном — тау-нейтрино. Такого, чтобы с электроном рождалось, например, тау-нейтрино, не бывает.

— Нейтрино разных типов могут превращаться друг в друга?

— Могут, и этот процесс называется осцилляциями: нейтрино одного типа переходят в нейтрино другого типа без выделения энергии. Осцилляции были известны для других частиц, например нейтральных К-мезонов, у нейтрино их впервые предсказал в 1957 году итальянский и советский физик Бруно Понтекорво, который работал в Дубне с 1950 года. Указания на существование нейтринных осцилляций в измеренных потоках солнечных нейтрино существовали давно, но экспериментально явление открыли только через 40 лет на нейтринном детекторе Супер-Камиоканде (Super-Kamiokande) в Японии. Позже в других экспериментах с разными типами источников нейтрино существование осцилляций было подтверждено. Важную роль сыграли исследования потоков солнечных нейтрино на подземном радиохимическом галлий-германиевом нейтринном телескопе Баксанской нейтринной обсерватории Российской академии наук на Северном Кавказе.

Регистрация электронного нейтрино в эксперименте Super-Kamiokande


— Почему физикам так важно наблюдать нейтринные осцилляции?

— Во-первых, само по себе это очень красивое и необычное квантово-механическое явление. Но есть и более веские причины. Чтобы осцилляции в принципе могли существовать, должны соблюдаться два условия. Первое — у нейтрино должна быть масса, и, что даже более существенно, массы осциллирующих типов нейтрино должны отличаться. При этом изначально в Стандартной модели нейтрино рассматривались как безмассовые объекты. Соответственно, осцилляций в такой Стандартной модели быть не может.

— Получается, что наблюдение осцилляций опровергает положения Стандартной модели?

— Наблюдение осцилляций — неоспоримый факт, доказывающий, что у нейтрино ненулевые массы, а значит, действительно, формулировки Стандартной модели нуждаются в уточнении. Например, в нее можно ввести ненулевые массы нейтрино, что и было сделано. На основные результаты Стандартной модели это никак не повлияло, так как массы очень маленькие.

Второе условие, без которого осцилляции невозможны, — между нейтрино разного типа должно быть ненулевое смешивание (теоретический механизм, описывающий, как именно частицы разных масс могут переходить друг в друга — прим. «Чердака»). В исходном варианте Стандартной модели смешивание нейтрино отсутствовало, но его также можно ввести.

— Раз из-за осцилляций физикам пришлось уточнять Стандартную модель, наверняка до их открытия были еще какие-то неувязки, которые не имели объяснения?

— Да, с помощью осцилляций удалось объяснить парадокс солнечных нейтрино. Солнце горит с помощью термоядерных реакций, которые идут благодаря слабым взаимодействиям. Поэтому Солнце излучает мощные потоки нейтрино, а именно — электронных нейтрино. Но при регистрации потока солнечных нейтрино эксперименты всегда видели примерно половину частиц. Куда исчезала еще половина, было неясно. Осцилляции объяснили этот парадокс: электронные нейтрино переходят в нейтрино других типов и поэтому не регистрируются детекторами электронных нейтрино.

— Можно в одном эксперименте регистрировать сразу несколько типов нейтрино, чтобы точно подтвердить осцилляции?

— Да, именно так и было сделано, например, в международном эксперименте SNO в Канаде. Ученые зарегистрировали одновременное уменьшение потока электронных нейтрино, летящих от Солнца, и появление мюонных и тау-нейтрино. При этом полный баланс потока хорошо соответствует ожиданиям.

— Осцилляции доказывают, что у нейтрино есть массы. Можно ли, изучая осцилляции, «извлечь» их точные значения?

— Осцилляции не зависят от собственных масс каждого типа нейтрино — они зависят от разницы масс. Более того, не от абсолютной разницы, а от разницы, возведенной в квадрат, поэтому, даже если мы знаем разницу между массами, сказать, которое из них тяжелее, нельзя. Есть две гипотезы о соотношении масс нейтрино — так называемые прямая и обратная иерархия. Мы знаем, что массы двух типов нейтрино отличаются несильно, а вот масса нейтрино третьего типа отстоит от этих двух довольно далеко. Прямая иерархия предполагает, что «выбивающееся» нейтрино тяжелее двух других, а обратная — что оно, наоборот, легче. Вообще загадок и вопросов в этой области гораздо больше, чем возможностей ответить на них в экспериментах.

— У теоретиков есть объяснения, почему нейтрино так не похожи на другие частицы?

— В Стандартной модели существует механизм, за счет которого частицы приобретают массу — тот самый механизм Хиггса, который был недавно подтвержден, когда на Большом адронном коллайдере (БАК) «поймали» бозон Хиггса. Массы разных частиц довольно сильно отличаются между собой, но все они минимум на шесть порядков больше массы нейтрино. Это наводит на размышления, что нейтрино либо в принципе используют совсем другой механизм приобретения массы, либо имеют его в дополнение к хиггсовскому механизму. Например, в теории существует очень красивый механизм seesaw, или «качели». Он предполагает, что дополнительно существуют чрезвычайно массивные нейтральные лептоны, и как раз потому, что они стали такими тяжелыми, «обычные» нейтрино стали очень легкими. Но такие тяжелые нейтрино не предусмотрены в Стандартной модели, так что здесь мы явно выходим в новую физику.

— Есть ли у нейтрино еще какие-то необычные свойства?

— Нейтрино вместе с электроном, мюоном и тау относятся к классу лептонов, и некоторые теории предполагают, что для этих элементарных частиц возможно нарушение CP-симметрии, то есть нарушение точной зеркальной симметрии между частицами и античастицами. Вселенная в основном состоит из материи, а не из антиматерии, и это странно, потому что Большой взрыв породил одинаковое количество того и другого. Одна из интересных гипотез предполагает, что нарушение CP-симметрии у лептонов было тем самым первоначальным толчком, из-за которого во Вселенной теперь не хватает антивещества. Изучая CP-нарушение у нейтрино, мы сможем ответить на фундаментальные космологические вопросы об устройстве Вселенной. Собственно, эксперимент NOvA как раз и будет измерять иерархию масс и возможные нарушения CP-симметрии.

— Как он устроен?

— Чтобы регистрировать нейтрино, которые крайне неохотно взаимодействуют с веществом, эксперимент использует тяжелый детектор массой 14 килотонн, наполненный жидким сцинтиллятором. Когда нейтрино все же взаимодействуют в веществе детектора, образуются вторичные частицы, которые и регистрируются по вспышкам света в сцинтилляторе. В эксперименте используются два детектора: больший по размеру установлен на расстоянии 810 км от источника нейтрино — Главного инжектора ускорителя «Теватрон» в Лаборатории Энрико Ферми (США), который формирует очень интенсивный пучок этих частиц. Детектор меньшего размера находится совсем рядом с ускорителем и точно определяет, каким был изначальный поток нейтрино. Сравнивая измерения в этих детекторах и корректируя их на соответствующие размеры и расстояния, мы можем определить, как изменился нейтринный поток.

Так рождается сигнал, когда нейтрино взаимодействует с веществом детектора


— Что конкретно измеряется в эксперименте?

— Детекторы NOvA умеют регистрировать электронные и мюонные нейтрино. Тонкие осцилляционные эффекты проявляются по-разному в зависимости от того, какой тип нейтрино тяжелее, а какой легче. Например, существует так называемый эффект осцилляций в веществе, названный по именам предсказавших его физиков эффектом Михеева—Смирнова—Вольфенштейна. Его суть в том, что поток нейтрино при движении через вещество взаимодействует с электронами среды, что приводит к дополнительным осцилляциям по сравнению с распространением нейтрино в вакууме. Выраженность эффекта зависит от иерархии масс нейтрино, более того, он может оказаться разным для осцилляций нейтрино и антинейтрино — проявление CP-нарушения. Поэтому планируется, что эксперимент будет три года собирать данные при работе в нейтринном пучке и три года — в антинейтринном.

Практически те же измерения сейчас проводятся в эксперименте T2K в Японии, но там расстояние между ускорителем и детектором меньше, около 300 км. Соответственно, ожидается и меньший эффект. Через несколько лет оба эксперимента накопят достаточно данных, и их сравнение позволит еще четче интерпретировать результаты обоих.

Вот что видят на экранах физики, когда один из детекторов регистрирует электроннное нейтрино


— Когда можно ждать первых существенных результатов на NOvA?

— Первые результаты уже есть, но они предварительные и в основном показывают, что эксперимент работает так, как ожидалось. За год работы в нейтринном пучке мы подтвердили существование осцилляций, например, зарегистрировали исчезновение мюонных нейтрино. Эксперимент NOvA «поймал» чуть больше 30 таких событий: если бы осцилляций не было, детекторы должны были зарегистрировать около 200 событий. Другое измерение — появление электронных нейтрино, которых в первоначальном пучке почти нет. Но они тем не менее появляются: за год зарегистрировано шесть таких событий, а если бы вклад вносил только фон, то событие должно было быть одно.

Интересные данные можно ожидать через 2-3 года, особенно в симбиозе с T2K. Окончательные результаты будут через шесть лет работы.

Сборка дальнего (большего по размеру) детектора NOvA


— Каков вклад в эксперимент российских ученых?

— NOvA — эксперимент в большой степени американский. Из российских физиков участвуют специалисты из Института ядерных исследований (ИЯИ), Физического института академии наук (ФИАН) и Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Они вносят в эксперимент важный вклад, занимаясь вместе с другими калибровкой аппаратуры, контролем набора данных, их анализом и теоретической интерпретацией. В Дубне, например, давно используется стенд проверки и измерения параметров электроники эксперимента, а совсем недавно заработал один из шести (и единственный не американский) удаленный центр контроля эксперимента. Это, кстати, имеет особое значение для работы молодых людей, студентов и аспирантов, которых участвует с нашей стороны довольно много.

— Какие еще вопросы о природе и свойствах нейтрино, кроме иерархии масс, остаются нерешенными?

— Список внушительный. В первую очередь, это, конечно, прямое измерение массы нейтрино. Существует экспериментальная техника, которая позволяет измерить этот параметр. Пионерские работы были проведены в ИЯИ, где измеряли массу электронного нейтрино. По итогам экспериментов удалось установить для него верхнюю границу массы — около 1 эВ. В настоящее время готовится международный эксперимент, основанный на развитии этой методики и призванный улучшить результат в несколько раз. Для других типов нейтрино граница определена хуже.

Второй очень важный класс экспериментов — поиски безнейтринного двойного бета-распада, процесса, который возможен только в том случае, если нейтрино являются майорановскими частицами. Это очень красивая теоретическая возможность, подразумевающая, что частица является античастицей для самой себя. Наблюдение двойного бета-распада ядер выводит нас за рамки Стандартной модели. Ученые уже несколько десятилетий ищут такие распады — пока безуспешно.

— Можно ли как-то использовать результаты по изучению нейтрино на практике?

— Как ни странно, да. Некоторые нейтринные эксперименты можно поставить прямо на промышленных реакторах. В результате распадов ядер там выделяются антинейтрино, и, регистрируя их потоки, мы можем судить о мощности реактора, определить, давно ли он работает и сколько в нем накопилось тех или иных изотопов, например оружейных. Таким способом можно проводить независимый международный контроль. Подобных проектов довольно много, но пока они все на стадии опытных установок. Одна из наиболее перспективных установок есть на реакторе мощностью три гигаватта Калининской АЭС. Ее реализовали специалисты ОИЯИ и Института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ).

Кроме того, нейтрино — полезный инструмент для изучения космоса. Так как эти частицы не имеют заряда и очень слабо взаимодействуют с веществом, они могут проходить гигантские расстояния в «неизменном» виде. Траектории других частиц искривляются в магнитном поле, при столкновениях с другими частицами и так далее. Регистрируя нейтрино, приходящие из космоса, мы можем точно указать, откуда они прилетели. Кроме того, при взрыве сверхновых звезд должны испускаться потоки нейтрино, время прихода которых и форма сигнала будут говорить о механизме гравитационного коллапса звезды.

Нейтринная астрономия в последние годы бурно развивается. Несколько лет назад были получены прорывные результаты в эксперименте IceCube в Антарктиде. Детекторы IceCube надежно зафиксировали существование нейтрино огромных энергий, которые прилетели к нам из-за пределов Солнечной системы.

Нейтринная обсерватория IceCube. Фото: Felipe Pedreros, IceCube/NSF


— Несколько штук нейтрино — это не кажется статистически достоверным для того, чтобы делать глобальные выводы...

— С современными детекторами мы ожидаем регистрировать десятки нейтрино в год, а это уже кое-что. Недавно была создана международная сеть нейтринных телескопов, объединяющая установки IceCube, Байкальский глубоководный нейтринный телескоп и средиземноморские детекторы ANTARES и KM3Net. Эти эксперименты будут в ближайшее время законодателями мод в нейтринной астрономии. Вместе они способны перекрыть все небо и ловить галактические нейтрино, прилетающие со всех сторон.
Ирина Якутенко
Теги:

Читать еще на Чердаке: