Новости физики нейтрино

Понедельник, 08 июля 2019

Экспериментальная физика нейтрино сейчас на подъеме - почти каждый месяц публикуются новые интересные результаты. Так, недавно, американский эксперимент NOvA обработал очередную порцию данных, которые помогут определить иерархию масс нейтрино и значение CP-нарушающей фазы для матрицы нейтринного смешивания. Физику нейтрино обсуждают и на семинарах НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ. На прошлой неделе на семинаре в Отделении физики высоких энергий сотрудник Бернского университета Игорь Кресло рассказал о разработке детекторов на основе жидкого аргона для нейтринных экспериментов.

Нейтрино – уникальные частицы, которые почти не взаимодействуют с веществом. Из трех взаимодействий, проявляющих себя в микромире - сильного, электромагнитного и слабого, только последнее проявляет себя в нейтринном секторе Стандартной Модели физики частиц (СМ). Существуют три типа (поколения) нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное. У нейтрино каждого поколения есть электрически-заряженный партнер: электрон, мюон и тау-лептон. Соответственно, можно говорить о том, что частицы одного поколения несут соответствующий лептонный заряд. Античастицам в этой схеме приписывают лептонный заряд противоположного знака. Взаимодействие между нейтрино и веществом происходит при помощи частиц-переносчиков слабого взаимодействия – массивных W и Z бозонов (см. рисунок 1). Как раз из-за того, что их масса на несколько порядков превышает массу лептонов, взаимодействие проявляет себя столь слабо. При этом важно помнить: измеряя нейтрино, мы измеряем его аромат – то, к какому поколению оно принадлежит.

Оказывается, лептонный заряд может и не сохраняться, т. е. нейтрино одного поколения могут на лету превращаться в нейтрино другого поколения. Японский эксперимент Super-Kamiokande убедительно показал, что потоки мюонных нейтрино, рождающихся во взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли, существенно разнятся в зависимости от того, прилетели ли они сверху или через Землю снизу. Для нейтрино Земля почти прозрачна, и, если бы не было нейтринных осцилляций, то эти потоки совпадали бы. Другой эксперимент SNO, базировавшийся в Канаде, установил, что потоки электронных нейтрино от Солнца составляют лишь треть от ожидаемого, а остальные две трети потока от Солнца идут за счет мюонного и тау-лептонных нейтрино, которые на Солнце не рождаются. То есть происходят превращения νe в νμ и ντ. За эти открытия руководителям экспериментов Такааки Кадзита и Артуру Макдональду в 2015 были присуждены Нобелевские премии по физике.

С теоретической точки зрения нейтринные осцилляции объясняются наличием у нейтрино собственной массы, т. е. существованием массовых состояний (m1, m2 и m3). Собственные состояния нейтрино по отношению к функции, описывающей распространение нейтрино в пространстве (ν1, ν2 и ν3), не совпадают с собственными состояниями по отношению к слабому взаимодействию (νe, νμ и ντ), которым устанавливается тип нейтрино во время измерения. Связь между (ν1, ν2, ν3) и (νe, νμ, ντ) описывается матрицей 3 на 3, которую называют матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты (ПМНС-матрица). В предположении, что существует только три поколения нейтрино, эта матрица, в состав которой входят девять комплексных элементов, должна описываться лишь четырьмя вещественными числами – углами поворота (θ12, θ23, θ13 и δCP). Углы θ описывают интенсивность осцилляций, а комплексная фаза δCP отвечает за мнимую часть элементов ПМНС-матрицы. Если δCP отлично от нуля или 2π, то вероятности осцилляций для нейтрино и антинейтрино различны, а значит и в нейтринном секторе СМ происходит CP-нарушение.

Чтобы определить параметры ПМНС-матрицы и иерархию массовых состояний (т. е. как соотносятся m1, m2 и m3), физики исследуют нейтринные осцилляции для нейтрино различных типов и энергий. Схема измерений примерно одинакова, будь то солнечные, атмосферные, реакторные или ускорительные нейтрино. Необходим источник (анти)нейтрино определенного аромата с более-менее известной светимостью и нужно провести измерения потоков нейтрино различных ароматов на нескольких расстояниях от источника. Вероятности зависят от расстояния, на котором проводятся измерения, элементов ПМНС-матрицы, а также разницы квадратов масс – Δm2ij = m2i – m2j. На сегодняшний день более-менее точно известны углы θ, Δm213 и Δm212, а также абсолютные значения величин |Δm213| и |Δm223|. Знаки Δm213 и Δm223, а также фаза δCP пока не определены, т. е. физики не знают, какая из изображенных на рисунке 2 иерархий масс истинная, и существуют ли CP-нарушения для нейтрино.

Экспериментами, которые могут помочь установить иерархию масс нейтрино и значение δCP, являются измерения осцилляций мюонных нейтрино, получаемых на ускорителях. Процесс получения нейтринных пучков таков: во взаимодействии протонов высоких энергий и ядерной мишени рождаются адроны (в основном π мезоны); их собирают в пучки, направляют в специальный распадный канал, где в процессе их распадов образуются (преимущественно) мюонные нейтрино или антинейтрино. При этом у экспериментатора есть возможность выбирать, что он хочет исследовать – частицы или античастицы. Далее пучок поступает на так называемый ближний детектор, основная задача которого осуществить как можно более точный мониторинг интенсивности и энергетического спектра полученного (анти)нейтринного пучка. Дальний детектор обычно расположен в нескольких сотнях километров от места получения пучков. Он должен измерять ослабление потока мюонных нейтрино и появление электронных нейтрино, т.е. изучаются процессы типа: νμ → νμ, анти-νμ → анти-νμ, νμ → νe и анти-νμ → анти-νe. Первые три из них уже наблюдались экспериментами K2K, MINOS, T2K, NOvA, а вот процесс превращения мюонного антинейтрино в электронное пока достоверно не установлен.

Недавно американский эксперимент NOvA обновил свои данные по регистрации нейтринных осцилляций. Спектры электронных нейтрино, зарегистрированные дальним детектором, приведены на рисунке 2. Статистическая значимость указания на существование процесса анти-νμ → анти-νe составила 4,4 стандартных отклонения (зарегистрировано 27 событий-кандидатов при оценке фоновой составляющей 10,3), т.е. физики вплотную приблизились к его открытию, которое обычно объявляют, когда значимость превышает 5σ.

Использовав значения θ23 и |Δm223|, измеренные другими экспериментами, можно оценить угол δCP и иерархию масс. Пока физики могут лишь исключить некоторые области δCP (для случаев прямой и обратной иерархий). Чувствительность измерений пока не высока, но виден огромный потенциал. Скорее всего, в ближайшие годы иерархия масс и значение δCP будут надежно установлены.

Проведение новых нейтринных экспериментов требует разработки новых детекторов. Об одном таком проекте под названием ArgonCube, нацеленном на создание масштабируемого детектора большой массы на основе жидкого аргона, на семинаре ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ рассказал сотрудник Бернского университета Игорь Кресло. Новые детекторы необходимы для проекта Long-Baseline Neutrino Facility (LBNF), о котором мы уже писали. Жидкий аргон – интересный материал для создания детекторов, так как заряженные частицы при прохождении через него дают большой сигнал (от ионизации атомов). Также жидкий аргон – сцинтиллирующий материал, и световой сигнал, возникающий при прохождении ионизирующих частиц, может быть также использован для регистрации. Изюминкой представленного проекта является его модульность. Такой подход позволяет уменьшить величину приложенного высокого напряжения, необходимого для сбора заряда, образовавшегося в процессе ионизации и сократить время дрейфа ионов, а значит время, задаваемое на регистрацию сигнала. Весьма заманчивой выглядит возможность ремонта и модернизации отдельных модулей – в случае поломки не весь детектор выходит из строя, а лишь немного снижается его эффективность. В своем докладе Игорь Кресло рассказал об успехах в разработке технологии и технических вызовах, сопровождающих этот проект, а также пригласил физиков ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ к сотрудничеству. Подробнее о технологии ArgonCube можно узнать из материалов семинара.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт