Трехликое нейтрино

Нашими жизнями правит Закон восемнадцати. Где собираются восемнадцать, там появляется девятнадцатый. Почему так?

Роберт Шекли. Верный вопрос

Лауреатами Нобелевской премии по физике 2015 года стали Кадзита Такааки и Артур Макдональд за открытие осцилляции нейтрино, то есть их способности по дороге от источника до детектора периодически переходить из одного аромата в другой. Оба лауреата возглавляли крупные научные коллективы. Макдональд с 1989 года по настоящее время работает директором канадской нейтринной обсерватории в Садбери, SNO (которая набирала сигналы с 1999 по 2006 год). Эту обсерваторию в глубочайшей шахте построили по инициативе Эрба Чена из Калифорнийского университета в Ирвине, предложившего использовать детектор на тяжелой воде. Задачей ее было определить причину дефицита солнечных нейтрино. Кадзита начинал эксперименты по изучению атмосферных нейтрино (а они образуются при столкновении космических лучей с атмосферой) на водяном детекторе Камиоканде, где было обнаружено, что их, так же, как и солнечных, аномально мало. Эти исследования продолжились под его руководством на детекторе Супер-Камиоканде, который начал работать в 1996 году.

При попадании в Супер-Камиоканде мюонного нейтрино получается мюон, который порождает чистый круг излучения (слева). Электрон, вылетающий при столкновении с электронным нейтрино, сопровождается каскадом других частиц (справа)

Загадка аномалий

Суть проблемы нейтринных аномалий такова. У физиков имеются модели, построенные для описания самых разных явлений. В частности, есть и стандартная модель Солнца (СМС), и модель образования нейтрино в атмосфере. Такие физические модели позволяют, в частности, посчитать поток нейтрино. Если эксперимент дает существенно другой результат, возникает беспокойство: значит, либо детектор нейтрино работает плохо, либо плоха теория. Кроме того, Солнце для нас очень важно, поэтому хотелось бы, чтобы его модель была правильной. В противном случае нет гарантии, что мы можем предсказывать поведение светила и быть уверенными, что оно, образно говоря, не взорвется завтра.

В 1965 году астрофизик Реймонд Дэвис вместе с теоретиком Джоном Бакалом - автором СМС - начал эксперимент по изучению солнечных нейтрино, для чего они установили детектор, заполненный 615 тоннами тетрахлорэтилена, в золотой шахте Хомстейк, Северная Дакота. Нейтрино при столкновении с хлором должно было давать атом радиоактивного аргона. Поскольку вероятность такого столкновения чрезвычайно мала, эксперимент требовал виртуозного мастерства от Дэвиса: ежемесячно он, продувая сквозь детектор гелий, извлекал примерно 20 штук атомов ₃₇Аг! (О числе атомов судили по результатам их радиоактивного распада.) Эксперимент шел до 1994 года и выявил поток в 2,56 условных нейтрино вместо 8,1, предсказанных Бакалом. Естественно, Дэвиса сперва хотели обвинить в том, что его детектор работает неправильно.

К счастью, аномалия не было совсем уж неожиданной. Еще до начала подобных экспериментов главный на тот момент специалист по нейтрино Бруно Понтекорво предупреждал, что так может случиться. Однако не из-за плохого детектора (автором идеи которого он как раз и был) или недостатков теории Солнца. А потому, что нейтрино могут совершать невообразимые фокусы — по дороге к Земле превращаться из одного вида в другой, скрываясь от глаз экспериментатора. История закончилась благополучно: новые детекторы подтвердили дефицит солнечных нейтрино и в 2002 году Реймонд Дэвис стал лауреатом Нобелевской премии по физике. Теперь же премию дали за доказательство того, что идея Понтекорво об осцилляциях нейтрино действительно справедлива.

Осцилляции нейтрино требуют существенного изменения теории этих частиц — изначально их считали лишенными массы, осциллировать же могут лишь массивные частицы. При этом не исключена возможность, что наличие массы у нейтрино потребует пересмотра всей Стандартной модели, той самой, что дает описание элементарной основы всего сущего: имеющийся в ней механизм получения массы нейтрино не устраивает многих физиков.

В поисках осцилляций

Бруно Понтекорво, он же Борис Михайлович Понтекорво, — ученик Энрико Ферми, который в 50-х годах переехал в СССР и работал в дубнинском Объединенном институте ядерных исследований, — чрезвычайно значимая фигура в физике нейтрино. Его именем даже названа медаль, которую присуждают ученым за серьезный вклад в изучение этих таинственных частиц. Подробно об истории идеи осцилляций нейтрино и о возможных будущих исследованиях в физике нейтрино он рассказал в обзоре 1983 года, опубликованном в журнале «Успехи физических наук». Посмотрим, что случилось за тридцать с лишним лет после этой публикации.

Действительно, как и предсказывал Бруно Понтекорво, в глубоких шахтах были смонтированы гигантские детекторы нейтрино, заполненные десятками и тысячами тонн различных веществ. У каждого вещества — своя специфика. Так, в опытах Дэвиса в реакции с хлором фиксировались лишь нейтрино, обладающие относительно высокой энергией, более 814 кэВ; их производит только одна из протекающих на Солнце реакций. Для получения данных с учетом нейтрино меньшей энергии были построены два галлиевых детектора: один в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ АН СССР (на нем с 1986 года и до сих пор идет совместный с США эксперимент SAGE — от «Советско-американский галлиевый эксперимент») и GALLEX, то есть просто галлиевый эксперимент, — его в 1991—1997 годах проводили итальянцы в Национальной лаборатории в Гран-Сассо. Электронное нейтрино, попадая в атом галлия, превращает его в радиоактивный атом германия, и энергия нейтрино для такой реакции должна быть ниже, чем в случае хлора, — не менее 233 кэВ. Такие нейтрино рождаются в основной реакции, обеспечивающей горение солнечного вещества.

По состоянию на 2011 год на Баксане получили интенсивность потока 65,4 ± 5 условных нейтрино. У итальянцев же вышло 77,5 ± 8. Это примерно 0,6 от теоретического значения. А в опытах Дэвиса с нейтрино более высокой энергией гораздо меньше — 0,32. Сейчас галлиевый детектор на Баксане — единственный, который может ловить нейтрино низких энергий, остающийся в работе и продолжающий набирать статистику. Это своего рода подвиг: в конце 90-х его хотели размонтировать, а галлий, которого там 60 тонн, — продать.

Другое широко используемое вещество — вода. Ее преимущество в низкой цене, поэтому детектор можно сделать гигантским. Например, детектор километрового размера строят в озере Байкал (работы закончатся к 2020 году), а во льдах Антарктиды находится работающий детектор объемом в кубический километр — IceCube. Эти детекторы предназначены для изучения нейтрино космического происхождения.

В воде не получаются радиоактивные изотопы, вместо этого фиксируют так называемое излучение Вавилова — Черенкова — оно возникает, когда частицы, образующиеся в результате реакции, вызванной ударом нейтрино, разлетаются со скоростью, большей скорости света в воде. Очевидно, что для таких опытов энергия нейтрино должна быть значительной. То есть, если речь идет о солнечных нейтрино, это будут нейтрино Дэвиса.

Простейшая реакция, изучаемая черенковским детектором, — так называемое упругое рассеяние нейтрино, когда оно выбивает электрон из атома. Зафиксировав свечение электрона, удается определить и направление полета нейтрино — в целом электрон летит в ту же сторону. Нейтрино взаимодействует с веществом за счет обмена бозонами слабого взаимодействия, которых три: два заряженных W-бозона и один нейтральный Z-бозон. Электронное нейтрино реагирует с помощью всех трех, мюонное и тау-нейтрино — только с помощью Z-бозона. В результате получается расчетная формула, которая приравнивает поток электронов к потоку электронных нейтрино с добавкой в 15% от суммарного потока мюонных и тау-нейтрино.

Первый черенковский детектор нейтрино — Камиоканде — собрали в Японии в одноименной шахте. В нем было 3000 литров воды, и с 1986 по 1995 год он насчитал 0,54 от теоретического потока нейтрино. Модификация этого детектора — Супер-Камиоканде с объемом 50 тысяч литров — за 1996—2001 годы дала 0,47 теоретического потока солнечных нейтрино.

Однако есть у черенковского детектора и другие каналы. Например, если залить тяжелую воду, то будут проходить реакции с участием дейтерия. Так, нейтрино любого аромата разобьет его на протон и нейтрон. Но у электронного нейтрино, и только у него, возможна реакция с образованием двух протонов и электрона. С учетом же электронов от упругих столкновений удается уверенно отделить поток электронных нейтрино от потока двух других ароматов. Именно это было сделано на канадском детекторе SNO под руководством нынешнего нобелевского лауреата Артура Макдональда. Ловили они нейтрино с высокой энергией — более 2 МэВ, то есть опять-таки дэвисовские. Обработка накопленных за семь лет данных показала, что поток электронных нейтрино по реакции распада дейтерия на два протона — 1,29 условных штук, а поток нейтрино при упругом рассеянии — 2,39. Общий же поток по распаду дейтерия на нейтрон и протон оказался практически равным расчетному — 5,09. Таким образом, подтвердились данные Супер-Камиоканде: 0,46 теоретического потока пришлось на упругое рассеяние, а поток чисто электронных нейтрино оказался равен 0,27 теоретического потока — на 15% меньше, чем у Дэвиса, и в два раза меньше, чем с галлиевым детектором низкоэнергетических нейтрино. Поскольку в реакциях на Солнце рождаются только электронные нейтрино, которые по дороге могут осциллировать в два других аромата — мю и тау, то, что до Земли долетела лишь треть исходного количества показалось вполне логичным следствием осцилляций, что и подтвердил Нобелевский комитет.

То, что в галлиевых экспериментах вышло гораздо больше электронных нейтрино —0,6 от теоретического значения, — было воспринято как факт. В сообщении Института ядерных исследований РАН просто сказано: «Галлиевые солнечные нейтринные эксперименты, таким образом, дали прямое доказательство правильности Стандартной солнечной модели и теории нейтринных осцилляций с большим углом смешивания и показали, что подавляющая часть солнечных нейтрино, приходящих на Землю, — это низкоэнергетические нейтрино от протон-протонной реакции».

Еще одна странность, на которую особого внимания не обратили: и хлорный, и галлиевый детекторы дали корреляцию числа пойманных нейтрино с циклами солнечной активности, причем на одном типе детектора это число росло, а на другом — падало с ростом активности. Некоторые исследователи предположили, что причина в неверной работе детекторов, но большинство физиков списало эффект на естественный разброс значений: для выяснения истины надо ставить эксперимент эдак на четверть века (два солнечных цикла) непрерывных измерений, а это дорого.

Ливни из атмосферы

Помимо солнечных нейтрино есть и другие, например атмосферные. При столкновении космических лучей с атмосферой возникают ливни частиц. Значительная компонента ливня — пионы. Пион превращается в мюон и мюонное антинейтрино, а мюон, в свою очередь, дает электрон и пару из электронного антинейтрино и мюонного нейтрино (для анти- пиона наоборот — к паре мюонное нейтрино-антинейтрино добавляются позитрон и электронное нейтрино). Энергия этих нейтрино велика, исчисляется гигаэлектронвольтами, поэтому различить их и солнечные несложно. А главное, можно посчитать соотношение числа электронных и мюонных нейтрино, причем первых должно быть в два раза меньше, чем вторых. Осцилляции, очевидно, будут такое соотношение нарушать. Вот этими-то атмосферными нейтрино и прославился второй лауреат, Кадзита Такааки.

Еще на Камиоканде зафиксировали дефицит отношения числа мюонных нейтрино к электронным: 0,6 от теоретического значения при том, что ошибка опытов была 0,2. Повторение работы на Супер-Камиоканде результат существенно не изменило — 0,675. Но как проверить, в чем суть атмосферной аномалии: нехватка мю-нейтрино? Избыток е-нейтрино? Обе причины? Воспользовались тем, что Супер-Камиоканде позволяет определить направление полета исходного нейтрино. Интерес представляли два случая — нейтрино, падающее сверху, и нейтрино, летящее снизу, то есть с обратной стороны Земли. Образуясь в верхних слоях атмосферы, первые преодолевали 15 км до детектора, а вторые — почти на 13 тысяч км больше. Предполагая, что период осцилляций никак не меньше сотен километров, можно было надеяться, что у первых никаких осцилляций не будет, а у вторых они окажутся заметными. В общем-то так и вышло, но с оговорками. Удивительным образом количество электронных нейтрино совпадало с расчетными значениями по моделям космических лучей и было одним и тем же при падении сверху и при падении снизу. То есть в отличие от солнечных они не осциллировали, во всяком случае, период их осцилляций оказался больше, чем 13 тыс. км. А вот у мю-нейтрино при падении снизу наблюдался заметный дефицит — их было вдвое меньше, чем сверху и чем положено по расчету. Удивительно это потому, что, иллюстрируя идею осцилляций, физики любят рисовать эдакую синусоиду: вот вначале летит электронное нейтрино, вот оно стало мюонным, а вот тут, видите, снова электронным. Пойманные в Супер-Камиоканде мюонные нейтрино этой схеме следовать отказались — если они чем-то и становились, то тау-нейтрино, различить которое нельзя, а в электронное нейтрино переходить не желали. Как бы то ни было, Нобелевский комитет счел, что теория осцилляций блестяще подтвердилась в опытах на Супер-Камиоканде.

Осцилляции трех майоранских компонентов периодически складываются то в электронное, то в мюонное нейтрино и совсем изредка — в тау-нейтрино

Полет из реактора

Есть в распоряжении физиков и искусственные источники нейтрино — ускорители и реакторы. Они хороши тем, что позволяют получать потоки нейтрино заданного аромата, вполне определенной энергии, а расстояние до детектора известно точно. То есть можно попытаться вычислить два основных параметра теории осцилляций: угол смешивания (его тангенс показывает, в какой пропорции смешиваются состояния частиц при осцилляции) и разность квадратов масс осциллирующих частиц (от нее зависит, после преодоления какого расстояния нейтрино способно приобрести другой аромат). Всего было поставлено несколько таких экспериментов, которые Нобелевский комитет своим вниманием обошел.

В принципе уже из данных Супер-Камиоканде и SNO можно оценить разности квадратов масс в переходах электронного нейтрино в мюонное — 7·10^-5 эВ² и мюонного в тау — 3·10^-3 эВ². Из этих значений и энергии ускорительных мюонных нейтрино в 1 ГэВ получалось, что детектор нужно ставить на расстоянии в несколько сотен километров. Точнее, надо ставить два детектора — еще один рядом с ускорителем, чтобы мерить исходный поток нейтрино. В 2005 году эксперимент MINOS начали исследователи из чикагской Лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб). Они направили пучок нейтрино из своего ускорителя на железный детектор весом 5,4 тыс. тонн, расположенный в миннесотской шахте Соудан, в 735 км от ускорителя. В этом опыте также зафиксировали исчезновение мюонных нейтрино, разность квадратов масс (2,34·10^-3 эВ²) оказалась близка к той, что намерили c атмосферными нейтрино на Супер-Камиоканде.

Японцы тем временем подготовили свой эксперимент T2K, направив на Супер-Камиоканде поток мюонных нейтрино с ускорителя в городе Токаи, на расстояние 295 км. Начав получать данные в 2011 году, они снова нашли недостаток мюонных нейтрино, а разность квадратов масс для превращения мюонного нейтрино в тау- оказалась 2,44·10^-3 эВ², то есть в согласии с американскими коллегами. Угол смешивания в обоих экспериментах также удалось выяснить — он оказался около 45^о, то есть мюонное и тау-нейтрино смешиваются полностью.

Для изучения перехода электронных нейтрино в мюонные ускорители не годятся: энергия их нейтрино слишком мала. А вот реакторные вполне подходят: они создают мощный поток электронных антинейтрино. Вокруг все той же шахты в Камиоке расположено полсотни атомных электростанций на расстоянии от десятков до тысячи километров. Измерения с помощью специально созданного сцинтилляционного детектора KamLAND (в нем тысяча тонн светящегося вещества на основе минерального масла и бензола) начались в 2002 году. Они зафиксировали недостаток электронных антинейтрино, выявили, что их исчезновение случается на расстоянии примерно 200 км от реактора, и с учетом данных по солнечным нейтрино позволили вычислить параметры этого превращения — разница квадратов масс 7,65·10^-5 эВ², угол смешивания примерно 32^о. А вот смешивание электронного и тау-нейтрино мало, около 9^о, что показали другие эксперименты, однако разность квадратов масс такого превращения померить пока не удалось. Поэтому абсолютные значения масс нейтрино нам остаются неизвестны.

Свежие аномалии

Как ни удивительно, неизвестна и разница масс при превращении мюонного нейтрино в электронное. Казалось бы, и здесь должны быть те же самые ничтожные 7,65 10^-5 эВ². Однако никто пока что напрямую этот процесс не наблюдал. Эксперимент Т2К был специально отлажен для этой цели, удалось даже зафиксировать несколько лишних электронных нейтрино, но до измерений дело не дошло. Зато дошло в других экспериментах, которые дали ошеломляющие результаты. Так, в 1996 году ускорительный эксперимент LSND в Лос-Аламосе, где мюонные антинейтрино рождались непосредственно внутри детектора, показал, что они действительно превращаются в электронные антинейтрино. Но разность квадратов масс оказалась в десять тысяч раз больше: 1 эВ! Эксперимент повторили в Чикаго, и там нашли похожую разницу масс, правда, при других обстоятельствах, не совпадающих с лос-аламосскими.

Аналогичный результат дала еще полудюжина экспериментов. На Баксане тем временем зафиксировали новую аномалию: при использовании очень интенсивного источника излучения из произведенных в реакторе изотопов хрома-51 или аргона-37 был обнаружен дефицит 14% нейтрино.

Есть мнение, что все эти результаты связаны друг с другом и физики столкнулись с совершенно новым явлением — стерильными, то есть не участвующими в слабых взаимодействиях, нейтрино. Теми самыми, что рассматривал Бруно Понтекорво в 1957 году. Пока что полной ясности нет, но вся совокупность научных данных говорит: если эта гипотеза верна, то стерильных нейтрино должно быть по крайней мере две разновидности. Видимо, их поиски и станут новым этапом развития нейтринной физики, во всяком случае, подобные эксперименты уже готовят. Так, специалисты Института ядерных исследований РАН предлагают поместить источник из хрома-51 в центр галлиевого детектора, а спустя несколько дней провести послойный анализ образования в нем атомов германия. Если окажется, что на определенном расстоянии действительно имеется пик в его содержании, а еще лучше — если будет выявлено несколько периодически повторяющихся пиков, значит, действительно имеется новый тип осцилляций с высокой разницей масс.

Измерить массу нейтрино можно, лишь точно установив, какую минимальную энергию уносит эта частица при бета-распаде. Не исключено, что перспективный детектор KATRIN справится с этой задачей

Открытие стерильных нейтрино существенно изменит всю картину мира. Не только будет найден весьма весомый кандидат в число частиц темной материи, той загадочной субстанции, что составляет 85,5% массы всей материи Вселенной, а с веществом взаимодействует лишь гравитационно, но и сама Стандартная модель может претерпеть серьезные изменения.