Нейтрино за шкирку

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).

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.

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.

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.