Н значит нейтрино

Нобелевская премия по физике за 2015 год присуждена Такааки Кадзите и Артуру МакДональду — руководителям двух экспериментальных групп, Super-Kamiokande и SNO, изучающих свойства нейтрино — легчайших, загадочных, и самых неуловимых среди всех известных элементарных частиц. Их измерения на рубеже веков убедительно доказали, что нейтрино, которых известно три сорта (электронные, мюон и тау), способны осциллировать — самопроизвольно превращаться на лету друг в друга. Экспериментальная демонстрация этого факта и измерение параметров осцилляций поставило нейтринную физику с головы на ноги и привело к бурному прогрессу в этой области физики.

Поясним это такой аналогией. События, происходившие в нейтринной физике 20 лет назад, можно сравнить с открытием средневековыми мореплавателями нового континента. Сначала, по косвенным признакам, они догадываются, что где-то там, далеко за горизонтом, есть большая земля. Многие пытались туда доплыть, но возвращались ни с чем. Какие чудеса и богатства она таит — оставалось уделом фантазий. И только когда тщательно спланированные экспедиции первопроходцев сумели добраться до тех недостижимых земель и вернуться обратно, когда они принесли первую достоверную информацию о том, что там скрывается на самом деле, тогда грезы и фантазии стали превращаться в реальность. И с этой объективной информацией уже можно снаряжать новые экспедиции и шаг за шагом открывать новый край и его богатства.

Нечто подобное произошло и с нейтринными исследованиями на рубеже веков. С одной стороны, физики уже давно были знакомы с нейтрино, и теоретически, и экспериментально. За них были даже присуждены Нобелевские премии по физике: за 1995 год (открытие нейтрино), за 1988 год (открытие нейтрино второго типа — мюонных), и, уже чуть позже, половину премии за 2002 год (открытие солнечных нейтрино). Физики прекрасно понимали, как нейтрино взаимодействуют с другими частицами, — но при этом совершенно ничего не знали про их «личную жизнь». Они не знали, есть ли у них массы, превращаются они друг в друга, нарушают ли эти превращения какие-то законы сохранения, и так далее. Всё это было для физиков неизвестным материком со своими скрытыми чудесами.

На это все накладывались две нейтринные загадки, которые уже пару десятилетий мучили ученых. Во-первых, имелась явная проблема с атмосферными нейтрино. Космические лучи порождают в земной атмосфере мюоны, и каждый такой акт рождения производит «в нагрузку» и мюонное нейтрино. Затем мюон не долетая до земли распадается, и каждый распад порождает второе мюонное нейтрино плюс одно электронное. Поэтому общий поток мюонных и электронных нейтрино должен соотноситься друг с другом как 2:1. Но начиная с 1980-х годов эксперименты показывали примерно равное отношение.

Во-вторых, в конце 90-х в полный рост встала проблема солнечных нейтрино. Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного синтеза, долетают до нас, и регистрируются в детекторах. Солнечный нейтринный поток напрямую связан с мощностью Солнца, а значит, его можно сосчитать теоретически. Сосчитали, измерили (причем эксперимент Homestake исправно набирал статистику 25 лет) — результаты расходятся в три раза. Одно время косились на солнечную модель, говорили, что она недостаточно хорошо предсказывает нейтринный поток. Но модель совершенствовалась, и стало ясно, что списать проблему на ее недостатки не получится. Затем было подозрение, что как только удастся аккуратно измерить низкоэнергетические солнечные нейтрино, то все станет на свои места. Измерили (галлий-германиевые эксперименты GALLEX/GNO в Италии и SAGE в России) — все равно не сошлось.

В общем, проблемы не удавалось разрешить никаким иным способом, кроме как предположить, что нейтринные осцилляции действительно происходят. Тогда атмосферная аномалия должна объясняться тем, что часть мюонных нейтрино превращается на лету в нейтрино другого типа (в какие — заранее неизвестно). А солнечная загадка должна разрешаться так: на пути из солнечных недр часть электронных нейтрино превращается в мюонные или тау, а поскольку эксперименты типа Homestake и GALLEX ловят исключительно электронные нейтрино, то они их и недосчитываются.

Но для того, чтобы это стало настоящим объяснением, а не фантазией теоретиков, осцилляции требуется открыть напрямую. Именно этот прорыв в «неведомые земли» и был сделан в серии измерений, выполненных в конце 1990-х годов в Super-Kamiokande я Японии и в начале 2000-х в нейтринной обсерватории SNO в канадской провинции Онтарио.

Детектор Super-Kamiokande — это огромная подземная цистерна, заполненная сверхчистой водой и чувствительными фотодетекторами. Его принцип работы кардинально отличается от «накопительных» детекторов нейтрино. Влетающее нейтрино, сталкиваясь с атомом, превращается в электрон или мюон большой энергии, и светит черенковским светом — и это позволяет измерить энергию и направление прихода нейтрино. Но раз так, то можно проверить поток атмосферных нейтрино, приходящих с разных участков земной атмосферы: прямо над детектором, или поодаль, в тысяче километров от него, или даже на противоположном крае Земли, ведь нейтрино без проблем пролетает Землю насквозь.

Коллаборация Super-Kamiokande под руководством Такааки Кадзиты выполнила эти измерения и обнародовала в 1998 году великолепный по своей убедительности результат. Оказалось, что издалека, из атмосферы с противоположной стороны Земли, мюонных нейтрино приходит существенно меньше, чем сверху (см. рисунок вверху). Если бы не было осцилляций, эти потоки были бы примерно равны. Нехватка мюонных нейтрино, идущих издалека, означает, что на пути к детектору существенная их часть успела превратиться в другие нейтрино. Более того, даже понятно в какие: это не электронные нейтрино, поскольку их поток практически не изменился; значит, это тау-нейтрино (их детектор не отслеживал).

Детектор Super-Kamiokande, расправившись с атмосферной загадкой, попробовал закрыть и солнечную аномалию. Однако тут проблема была в том, что от Солнца идут нейтрино слишком маленькой энергии. Super-Kamiokande их все же смог зарегистрировать, правда, несколько иным способом, но не мог надежно разделить по типам. С этим как раз справился другой детектор, SNO. В нем, в отличие от Super-Kamiokande, использовалась не обычная, а тяжелая вода, содержащая дейтерий. Это сразу позволяло регистрировать как общий поток солнечных нейтрино (прилетает нейтрино любого типа, ударяет по дейтрону, и разваливает его на протон и нейтрон), так и его электронную компоненту (прилетает электронное нейтрино, ударяет по дейтрону, и порождает два протона, а само оно превращается в электрон).

В 2001 году SNO обнародовала результаты своего измерения — и всё вдруг встало на свои места. Полный поток нейтрино действительно совпал с тем, что предсказывала солнечная модель. Электронная часть действительно составляла всего лишь треть от него — в согласии с более многочисленными экспериментами прошлого поколения. Таким образом, никуда солнечные нейтрино не потерялись — просто родившись в центре Солнца в форме электронных нейтрино, они на пути к Земле мутировали в нейтрино другого сорта.

Эти измерения, а также последовавшая за ними лавина других экспериментов — атмосферных, космических, реакторных, ускорительных — не просто разрешили давние загадки и не просто установили факт нейтринных осцилляций. Они приступили к измерению параметров этих взаимопревращений. Они наконец-то проникли в «личную жизнь» нейтринного сектора, открыли для физиков целый «нейтринный континент».

Одно из главных следствий нейтринных осцилляций — это то, что у нейтрино есть массы. Если бы все нейтрино были безмассовые, осцилляции были бы невозможны. Более того, по длине осцилляций можно восстановить разности масс. Они оказались очень маленькими, в доли электронвольта, в миллионы раз меньше массы электрона. А это практически гарантированно выводит физиков за пределы современной картины микромира — ведь в рамках Стандартной модели никакого разумного объяснения такие маленькие массы не находят. Так началось бурное исследование теорий происхождения нейтринных масс и осцилляций.

Сейчас нейтринная физика — это мощнейшее направление физики элементарных частиц. Напрямую обнаружены всевозможные переходы нейтрино одного типа в другой, измерены все вероятности осцилляций, построены — без преувеличения! — сотни разных моделей за пределами Стандартной модели, которые объясняют массы и осцилляции нейтрино с разных позиций, и даже найдены практические применения для нейтрино. То, что 20 лет назад было лишь мечтой, сейчас стало мэйнстримом современной физики — во многом благодаря экспериментам Super-Kamiokande и SNO.

Игорь Иванов