И всё-таки они осциллируют!

В Physical Review Letters вышла статья китайских учёных, работающих на нейтринном эксперименте Daya Bay, в которой они утверждают, что им удалось показать, что осцилляции между электронным и тау-нейтрино совсем не так малы, как это считалось ранее.

Осцилляциями нейтрино называется явление самопроизвольного превращения одного типа нейтрино в другой. Как известно, существует три типа нейтрино, отличающихся массой и так называемым ароматом: электронное нейтрино, мюонное и тау-нейтрино. Несмотря на то, что с классической точки зрения самопроизвольное превращение одной частицы в другую выглядит чем-то фантастическим, в квантовой механике такое возможно и было хорошо известно, например, для кварков.

История изучения нейтринных осцилляций началась в 1964 году, когда было обнаружено, что поток электронных нейтрино, генерируемых на Солнце, значительно меньше, чем это ожидалось из имевшихся данных по количеству идущих там ядерных реакций. Эта проблема, известная как проблема солнечных нейтрино, не сразу утвердила учёных во мнении, что причиной является превращение электронных нейтрино в другой тип этих частиц, однако многочисленные исследования и независимые эксперименты с нейтрино от земных ядерных реакторов подтвердило первоначальную гипотезу.

Однако несмотря на большое количество проведённых экспериментов, учёным долгое время не удавалось обнаружить превращение электронного нейтрино в тау-нейтрино. Были хорошо известны скорости превращения электронного нейтрино в мюонное и мюонного в тау-, но зарегистрировать с достаточной точностью осцилляции между электронным и тау-нейтрино не удавалось. Это даже привело к появлению гипотезы, что такое превращение вообще запрещено.

Вообще, нейтринные осцилляции характеризуются так называемым углом смешивания θ, который и характеризует скорость осцилляций. Углы θ12 и θ23 достаточно велики (их обычно характеризуют величиной квадрата синуса удвоенного угла: sin2(2θ), эта величина для этих углов порядка 1), а вот угол θ13 считался малым — не превышающим 0,01.

Только в 2011 году начали появляться экспериментальные работы с признаками того, что эти осцилляции не так уж и малы. В июле вышла работа японской коллаборации T2K, а в октябре — фермилабовского MINOS. К сожалению их эксперименты были весьма неточны, и даже результат θ13 = 0 вполне укладывался в полученные результаты. Связано это было в первую очередь с методикой эксперимента. В них пытались найти признаки наличия тау-нейтрино в потоке электронных нейтрино. Такой поиск осложняется наличием ряда неизвестных параметров, приводящих к большой относительной ошибке измерений.

Чтобы получить более точные результаты, исследователи применили другую тактику: вместо того, чтобы искать тау-нейтрино, они измеряли ослабление с расстоянием потока электронных нейтрино. Для этого, конечно, необходимо иметь ни один детектор, а несколько, расположенных последовательно на пути потока. И такие системы уже созданы. Одна из них, как раз Daya Bay, содержащая шесть детекторов.

Внутри одного из шести нейтринных детекторов Daya Bay.
Внутри одного из шести нейтринных детекторов Daya Bay.

Для детектирования электронного нейтрино (вернее антинейтрино, поскольку именно их поток создаётся в ядерном реакторе) используется реакция взаимодействия с протоном, в результате которой рождается позитрон и нейтрон. Сечение этой реакции известно с высочайшей точностью, поэтому энергия антинейтрино может быть легко определена. Главной технической сложностью в эксперименте являлось детектирование нейтронов. Эффективность их захвата была повышена многократно за счёт использования специальных сцинтилляторов, допированных гадолинием. Результат, полученный китайской группой таков:

sin2(2θ13) = 0,092 ± 0,016 (стат. ош.) ± 0,005 (сист. ош.)

Как видим, угол довольно велик, а точность измерения такова, что вероятность того, что θ13 = 0 исключена с вероятностью 5,2σ (стандартных отклонений), что позволяет говорить об открытии в физике элементарных частиц (открытием считается экспериментальный факт, установленный с точностью 5σ).

Вообще говоря, результат Daya Bay не первый, полученный этим методом. Ранее были опубликованы результаты французского эксперименты Double Chooz, но им не удалось достичь такой высокой точности. Ну и в конце замечу, что результат уже подтверждён независимым экспериментом в Корее, проведённым коллаборацией RENO. Их работа, правда, пока опубликована только в arXiv, но вскоре должна появиться и в Physical Review Letters.

Сравнение величины sin<sup>2</sup>(2θ<sub>13</sub>), измеренной в различных экспериментах.
Сравнение величины sin2(2θ13), измеренной в различных экспериментах.

Что же означает для науки относительно большое значение угла θ13? Для людей, занимающихся нейтринной физикой, это очень важно. В первую очередь из-за того, что точное значение этого параметра позволяет с большей точностью измерить массы нейтрино, которые до сих пор известны только приблизительно. Кроме того, знание параметра θ13 необходимо для более точного установления факта возможного нарушения CP-инвариантности в нейтринных экспериментах (заключающегося в различном поведении нейтрино и антинейтрино, я писал об одном таком эксперименте в прошлом году).


Источник: Janet Conrad, Rethinking the Neutrino // Physics 5, 47 (2012)

comments powered by Disqus