Угол смешивания нейтрино измерили с рекордной точностью

Физики из коллаборации Daya Bay (Китай) опубликовали результаты самых точных на сегодняшний день измерений θ₁₃, одного из так называемых углов смешивания нейтрино. Эта величина необходима для описания осцилляций нейтрино, при которых частицы одного типа могут со временем превратиться в частицы другого. Результаты измерений коллаборация опубликовала в журнале Physical Review D, кратко о них сообщает Nature.

Согласно современным теориям, всего существует три типа или сорта нейтрино — электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы — антинейтрино. Эти частицы чрезвычайно слабо взаимодействуют с материей. Так, каждую секунду через квадратный сантиметр поверхности Земли незаметно пролетает около 60 миллиардов нейтрино, испущенных Солнцем. Лишь изредка удается косвенно зафиксировать их взаимодействия, например, с протонами. 

Около 20 лет назад, изучая солнечные электронные нейтрино, физики обнаружили, что количество регистрируемых частиц примерно в 2-3 раза меньше, чем предсказывают модели ядерных реакций в звезде. Это стало первым указанием на то, что за время полета с нейтрино могут происходить некоторые изменения. Впоследствии была разработана теория, описывающая осцилляции нейтрино — явления, при которых изначально электронные нейтрино могут превратиться, например, в тау- или мюонные частицы. Одним из важных следствий осцилляций стало наличие масс у этих элементарных частиц — за это открытие в 2015 году Такааки Кадзите и Артуру Макдональду была присуждена Нобелевская премия по физике.

Модель, описывающая осцилляции нейтрино, рассматривает другое разбиение частиц на сорта — на так называемые массовые состояния, которые и ответственны за осцилляции. Массовые и «традиционные» флейворные состояния — два разных способа описания частиц, между которыми есть взаимооднозначное соответствие. Поэтому, как одни, так и другие состояния можно рассматривать как разные координатные оси (x, y и z) в пространстве всевозможных видов нейтрино. Направления этих осей не совпадают, из-за этого «чистые» электронные (например) нейтрино состоят из смеси (суперпозиции) трех массовых состояний.

Осцилляции нейтрино — строго периодический процесс, причем период колебаний в нем зависит от соотношений между массами частиц, а также от так называемых углов смешивания. Последний параметр — набор из трех углов (θ₁₂,θ₂₃,θ₁₃), повернув на которые набор координатных осей флейворных состояний мы получим координатные оси массовых состояний и наоборот. Для того, чтобы научиться полностью предсказывать осцилляции, ученые должны экспериментально определить все соотношения масс массовых состояний и углы смешивания. 

В новой работе ученые, основываясь на статистике нейтринного эксперимента Daya Bay, вычислили самое точное на сегодняшний день значение одного из трех углов — θ₁₃. В статье авторы приводят значение квадрата синуса двойного угла — в таком виде угол входит в формулу, описывающую осцилляции нейтрино — он равен 0,082 ± 0,004 (нетрудно пересчитать, что это значение отвечает 8,4 градуса). Получить эту величину авторам удалось совместив результаты двух исследований экспериментальных данных.

Эксперимент Daya Bay представляет собой серию из нескольких идентичных детекторов, расположенных на расстояниях от 360 метров до 1,9 километра от ядерного реактора, генерирующего огромные количества электронных антинейтрино. Зафиксировать эти частицы удается по редким событиям их взаимодействия с протонами в ядрах материала детектора — жидкого сцинтиллятора, содержащего гадолиний. При этом генерируется быстрый антиэлектрон (позитрон), а сам протон превращается в нейтрон. Нейтрон, затем, поглощается ядром гадолиния, переводя его в возбужденное состояние. Детекторы «видят» это событие как две последовательные вспышки: первая от черенковского излучения горячего позитрона, вторая, через несколько микросекунд, от излучения возбужденного ядра гадолиния.

Результаты подсчета электронных антинейтрино на основе свечения возбужденных ядер гадолиния уже позволили коллаборации доказать, что θ₁₃ достоверно отличается от нуля. Для того, чтобы уточнить результат авторы новой работы провели независимый анализ данных детекторов в поисках другой пары вспышек, при которой вместо гадолиния нейтроны от столкновений антинейтрино с протонами захватывают атомы водорода в молекулах жидкости, заполняющей детекторы. Эти вспышки легко спутать с радиоактивными распадами, происходящими в детекторах, а также со вспышками, вызванными космическими лучами, поэтому ученые детально проанализировали фоновое свечение детекторов.

Собрав статистику авторы получили данные о том, какая доля электронных антинейтрино исчезает из-за осцилляций. Для этого ученые сравнили, количество зарегистрированных событий в ближнем и дальнем к реактору детектору. Это и указало на значение угла смешивания. Объединенные данные из захвата нейтронов водородом и гадолинием оказались на восемь процентов точнее, чем только лишь гадолиниевые результаты.

Величины двух других углов, θ₁₂ и θ₂₃,были измерены в других экспериментах — первый из них составляет примерно 33 градуса, второй близок к 40. Ненулевое значение θ₁₃ указывает на то, что еще одна величина, называемая фазой нарушения CP-симметрии также может быть отличной от нуля. Это означает, что для нейтрино нарушается одна из фундаментальных симметрий между частицами и античастицами: античастицы должны иметь заряд противоположный заряду частиц и иметь зеркальные свойства. По словам физиков, это может дать новые подсказки для ответа на вопрос, почему во Вселенной материи гораздо больше, чем антиматерии. Современные эксперименты не могут напрямую измерить величину δ_CP, однако существует ряд ограничений, в частности, предложенных другим нейтринным экспериментом — NOvA.

Владимир Королёв