В данных эксперимента OPERA нашли еще пять тау-нейтрино. Теперь их десять
Группа OPERA опубликовала результаты итогового анализа данных, собранных на детекторе нейтрино в Гран-Сассо в 2008–2012 годах. С помощью более аккуратного анализа ученым удалось разглядеть в этих данных десять событий, отвечающих превращению мюонных нейтрино в тау-нейтрино, измерить квадрат разницы масс этих типов нейтрино и сечение взаимодействия тау-нейтрино с заряженным током, а также подтвердить, что тау-нейтрино обладают отрицательным лептонным числом. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
В Стандартной модели масса нейтрино в точности равна нулю. Тем не менее, поставленные в конце прошлого века эксперименты (а также более поздние) показали, что в действительности нейтрино постоянно осциллируют, то есть превращаются из одного типа в другой. Так, электронные нейтрино, родившееся в термоядерных реакциях внутри Солнца, успевают много раз превратиться в мюонные и тау-нейтрино, пока летят до Земли, и в результате детекторы регистрируют примерно одинаковый поток различных типов нейтрино. Если бы масса нейтрино в самом деле была нулевой, как предсказывает Стандартная модель, такие осцилляции были бы невозможны. Эта несогласованность заставляет ученых разрабатывать новые теоретические модели, а также более внимательно изучать осцилляции нейтрино на практике.
В частности, детектор OPERA, расположенный в Гран-Сассо (Италия), предназначен для изучения мюонных нейтрино, которые рождаются в результате столкновений протонных пучков на суперсинхротроне SPS в ЦЕРНе и превращаются в тау-нейтрино по пути к детектору. В среднем энергия частиц, образующихся по такой схеме, составляет 17 гигаэлектронвольт — следовательно, нейтрино движутся с околосветовой скоростью, и времени на превращение у них практически нет (расстояние между Женевой и Гран-Сассо они пролетают чуть больше чем за 2,4 миллисекунды). Тем не менее, небольшая доля мюонных нейтрино все-таки успеет изменить свой тип, и за несколько лет наблюдений такие события можно увидеть.
Чтобы поймать и определить тип «неуловимых» частиц, в детекторе OPERA используется 1,5 тысячи свинцовых пластинок размерами примерно 13×10×7 сантиметров и весом около 8,3 килограмм, объединенных в 31 колонну и проложенных фотопленками. Когда нейтрино сталкивается с ядром свинца, оно обменивается с ним заряженным W-бозоном (это так называемый заряженный ток, charged current), и в результате в объеме пластинки рождаются новые частицы, которые регистрируются на фотопленке и отслеживаются с помощью магнитного детектора. Это позволяет проследить их траекторию и установить тип нейтрино, вступившего во взаимодействие с ядром.
Тау-нейтрино отличаются от остальных типов характерной топологией распада, оставляя после себя либо одну заряженную частицу (электрон, мюон или адрон), либо три адрона. Измеряя кинематические параметры родившихся частиц и соотнося их друг с другом, можно сказать, в какой точке детектора и в результате какого распада они появились. К сожалению, некоторые другие процессы (например, распад очарованных адронов), которые должны происходить в детекторе, также приводят к рождению похожих частиц и мешают выделить события, отвечающие тау-нейтрино, из общего потока. В предыдущем анализе данных, собранных в 2008–2012 годах, ученые сообщали о пяти достоверно обнаруженных тау-нейтрино. За это время на ускорителе в ЦЕРНе успели столкнуться почти 1,8×1020 протонов, а в объеме детектора OPERA было зарегистрировано 19505 нейтрино. В новой работе физики провели более глубокий анализ тех же самых данных, используя многомерный подход (multivariate approach). Это позволило им разглядеть еще пять событий, отвечающих тау-нейтрино и довести полное число событий до десяти: в шести случаях нейтрино превратилось в адрон, в трех случаях — в три адрона, и еще в одном случае — в мюон. В целом, такие результаты совпадают с теоретическими оценками на число реакций внутри детектора.
Увеличившаяся в два раза статистика по нейтрино позволила ученым уточнить несколько параметров, отвечающих за осцилляции. Например, квадрат разности масс нейтрино 2 и 3 типов физики оценивают величиной Δm232 ≈ (2,7±0,6)×10−3 квадратных электронвольт, а измеренное сечение взаимодействия тау-нейтрино через заряженный ток — величиной σ ≈ (5,1±2,2)×10−36 квадратных сантиметров. Оба этих результата согласуются с теоретическими расчетами с помощью программы GENIE и результатами многочисленных предыдущих измерений, однако эксперимент OPERA — первый, в котором измерения проводились для «возникающей» моды (appearance mode). Кроме того, в этом эксперименте тау-нейтрино наблюдались независимо от тау-антинейтрино, что позволило физикам впервые напрямую измерить лептонное число частицы. Оказалось, что со статистической значимостью около 3,7σ тау-нейтрино обладают отрицательным лептонным числом.
В 2015 году Нобелевскую премию по физике присудили Такааки Кадзита и Артуру МакДональду «за открытие осцилляций нейтрино, которые доказывают, что у нейтрино есть масса». Подробнее о теоретическом объяснении и истории открытия нейтринных осцилляций можно прочитать в нашем материале «Н значит нейтрино».
В сентябре 2011 года эксперимент OPERA сообщил о регистрации сверхсветовых нейтрино, которые пролетели расстояние между источником в ЦЕРНе и детектором в Гран-Сассо (около 730 километров) на 60 наносекунд быстрее, чем разрешают законы физики. Это открытие вызвало большой переполох в физическом сообществе, однако впоследствии оно оказалось «пустышкой» — после тщательной перепроверки оборудования ученые обнаружили, что время полета частиц было занижено из-за недостаточно хорошего соединения кабелей, вызывающего задержку синхронизирующего сигнала. В результате руководитель проекта Антонио Эредитато (Antonio Ereditato) и научный координатор Дарио Аутиеро (Dario Autiero), настоявший на публикации сенсационных, но ошибочных результатов, были отстранены от должности.
Дмитрий Трунин
Для этого их разнесли более чем на 30 метров
Физики из Швейцарской высшей технической школы Цюриха с коллегами из нескольких стран смогли впервые провести проверку неравенств Белла без лазеек с помощью сверхпроводящих кубитов. Для этого они разнесли криостаты на 30 метров и добились очень короткого (не более 50 наносекунд) времени считывания. Все вместе это позволило гарантировать, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на результаты проверки. Исследование опубликовано в Nature. Эйнштейну не нравилась вероятностная интерпретация квантовой механики. Вместе с Подольским и Розеном он в 1935 году написал статью с описанием парадокса — мысленного эксперимента с двумя разнесенными частицами, квантовая связь между которыми якобы нарушала принцип причинности. В 1964 году Джон Белл предложил математический способ, как с помощью неравенств доказать, на самом ли деле квантовая механика управляется вероятностными законами, или в ее основе лежат некие, еще не понятые физиками скрытые параметры. Экспериментальная проверка неравенств Белла началась лишь спустя десятилетия, подтвердив ошибочность теории скрытых параметров. Подробнее об этой истории мы писали в материале «Бог играет в эти игры», посвященному Нобелевской премии по физике 2022 года. Проверка неравенств Белла — это не единомоментный процесс. Каждая следующая экспериментальная реализация оставляла небольшие лазейки, которыми можно было бы объяснить опыт, не отказываясь от локальной теории скрытых переменных. Но с 2015 года физикам наконец-то удалось закрыть их все, сначала с помощью дефектов в алмазе, затем фотонов и плененных атомов. Теперь же очередь дошла и до проверок без лазеек на сверхпроводящих кубитах. Это случилось благодаря Зимону Шторцу (Simon Storz) из Швейцарской высшей технической школы Цюриха и его коллегам из Испании, Канады, США, Франции и Швейцарии. Им удалось провести проверку для кубитов, разнесенных более, чем на 30 метров. Благодаря такому большому расстоянию и высокой скорости считывания физики показали, что никакой гипотетический скрытый сигнал не смог бы повлиять на исход проверки, даже двигаясь от одного кубита к другому на световой скорости. С самых первых белловских экспериментов физики находили и закрывали множество лазеек. Например, недостатком эксперимента на фотонах долгое время было малое число запутанных пар. Из-за этого всегда можно было утверждать, что набранная статистика отражает лишь свойства некоторого подмножества от полного множества, в котором неравенства выполняются. Однако в конечном счете гипотезу о скрытых параметрах можно отвергнуть, если гарантировать, что никакой скрытый сигнал — во всяком случае, на световой или досветовой скорости — не успеет передаться от одного измерения до другого. Для этого кубиты должны быть достаточно далеко, а время считывания должно быть достаточно коротким. Наконец, физики обязаны накопить приличную статистику измерений, прежде чем делать выводы. Решению этих технических задач для сверхпроводящей платформы была посвящена работа авторов. Такие кубиты основаны на способности тока находится в суперпозиции направлений течения в сверхпроводящем контуре. Для их запутывания необходимо передавать между кубитами микроволновые фотоны, причем канал их передачи также должен находится при сверхнизких температурах. Ученые справились со своей задачей, разместив свои криостаты в подземных помещениях. Ключом к успеху стало достижение времени считывания, равного 50 наносекундам, со степенью совпадения 98 процентов. Расчеты показали, что, достаточно будет разделить события проверки кубитов 33 метрами. В этом случае у физиков остается запас в 10 наносекунд, которого достаточно, чтобы закрыть лазейку — скрытый сигнал не успеет повлиять на результат. Чтобы минимизировать разрушение запутанности, переносимой микроволновыми фотонами по волноводу, физики упаковывали последний в 30-метровую трубу, в которой поддерживали температуру 50 милликельвин. Сами кубиты содержались при температуре в 20 милликельвин. Всего ученые провели четыре последовательных эксперимента, в каждом из которых было более миллиона тестов. В результате статистический параметр неравенства оказался равен S = 2,0747 ± 0,0033 — другими словами, неравенства Белла нарушаются со значимостью в 22 стандартных отклонения. Помимо самого факта белловской проверки без лазейки, работа авторов прокладывает технологический путь к построению распределенных квантовых сетей на основе сверхпроводящих кубитов. Недавно мы рассказывали об аналогичных успехах для ионных кубитов — там квантовую запутанность передали на 230 метров.