Тонкие ароматы нейтрино

Тонкие ароматы нейтрино

Чтобы измерить характеристики очень легких частиц, нужны очень тяжелые установки

Наземная часть лаборатории Гран-Сассо Национального института ядерной физики Италии расположена в довольно живописном месте в 120 км от Рима, между городами Аквила и Терамо. Выбор не случаен: глубина лаборатории более километра от поверхности, что эквивалентно трём с половиной километрам воды. Это позволяет исключить воздействие космических лучей. Фото: LNGS-INFN

Нейтрино — одна из наиболее любимых физиками элементарных частиц. Предсказанные в 1930 году Вольфгангом Паули (Wolfgang Pauli, 1900–1958), чтобы объяснить кажущиеся нарушения законов сохранения при радиоактивном распаде, эти частицы были зарегистрированы в прямом эксперименте лишь через четверть века. С тех пор исследования нейтрино не раз позволяли заглянуть на такие потаённые уровни строения Вселенной, до которых трудно было бы добраться иным способом.

Большинство экспериментов в современной нейтринной физике проводится на мишенях и детекторах с огромной массой — килотонны, мегатонны, а эксперимент IceCube будет работать уже с почти гигатонной мишенью… Дело в том, что нейтрино крайне слабо взаимодействуют с веществом. Для них слой свинца от Солнца до Альфы Центавра был бы прозрачнее, чем оконное стекло для света. Достаточно сказать, что сквозь каждого из нас, не провзаимодействовав ни с единым атомом нашего тела, ежесекундно пролетают десятки триллионов нейтрино, родившихся в центре Солнца. Но всё же вероятность рассеяния этих частиц (то есть отклонения от прямолинейного распространения) на электроне или атомном ядре достаточна, чтобы в интенсивном пучке нейтрино, облучающем многотонную мишень, происходили редкие, но отделимые от фона события взаимодействия с веществом. Ясно, что чем массивнее мишень, тем больше таких событий. Парадоксальный факт: для изучения самых лёгких частиц используются самые тяжёлые установки.

В трёх экспериментах, о которых пойдёт речь, исследуются нейтринные осцилляции — сложное, сугубо квантовое явление, которому нет аналога в макромире. Оно было предсказано ещё в 1957 году выдающимся советско-итальянским физиком Бруно Максимовичем Понтекорво (1913–1993). Кстати, он же предложил и общую схему ускорительных экспериментов для исследования осцилляций. Подобную схему имеют все три эксперимента, о которых будет рассказано ниже. В одном из них был выявлен давно предсказанный феномен — событие важное, но не неожиданное. А вот в двух других обнаружилось нечто странное и, возможно, указывающее на проявления «новой физики» — эффекты, не описываемые существующей Стандартной моделью элементарных частиц.

Превращения на лету

Чтобы «на пальцах» объяснить, что такое осцилляции, надо напомнить, что каждому из трёх видов заряженных лептонов (электронов, мюонов и тау-лептонов) соответствует свой нейтральный лептон — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Эти виды принято называть ароматами или флейворами. До открытия нейтринных осцилляций считалось, что число лептонов сохраняется во всех процессах для каждого аромата по отдельности. Причем для античастиц это число считалось отрицательным, так что рождение пары электрон–позитрон из двух фотонов не нарушало правила: до столкновения лептонов не было, но их количество и после столкновения оказывалось равным нулю, так как лептонов рождалось столько же (+1), сколько антилептонов (–1).

Стандартная модель элементарных частиц демонстрирует поразительную симметрию: на звание по-настоящему элементарных частиц материи могут претендовать двенадцать квантов вещества — шесть кварков и шесть лептонов — и четыре кванта, переносящих взаимодействия. При этом каждому заряженному лептону соответствует незаряженный — нейтрино. Иллюстрация: Fermilab/US DoE

Открытие в конце 1990-х годов нейтринных осцилляций разрушило эту простую схему: оказалось, что если взять изначально чистый пучок нейтрино одного аромата, например мюонного, то на некотором расстоянии от источника в пучке обнаружатся электронные нейтрино, которых раньше не было, при этом количество мюонных нейтрино соответственно уменьшится. Число лептонов здесь сохраняется, как и в предыдущем случае. Но если взять один какой-то аромат, то в нем соответствующий закон сохранения уже не работает, ведь превращение электронного нейтрино в мюонное отнюдь не сопровождается одновременным превращением электрона в мюон.

Такое возможно только при наличии у нейтрино массы. Но этого недостаточно. Если бы каждому аромату соответствовало свое значение массы, никаких осцилляций бы не происходило. Особенность квантовых объектов в том, что не все их характеристики можно измерить одновременно. Например, нельзя одновременно сколь угодно точно измерить положение и скорость электрона, и поэтому о его орбите внутри атома можно говорить только в некотором условном смысле. Величины, которые нельзя измерить одновременно, принято называть «некоммутирующими».

Некоммутирующими величинами для нейтрино оказываются его аромат и его масса. И экспериментатор, проводя измерение, может сделать только что-то одно: либо точно измерить массу нейтрино, либо точно сказать, какого вида нейтрино он изловил. Так же, как существуют три аромата (каждому из них соответствует свое однофлейворное, или просто флейворное состояние), существуют и три (не исключено, что и больше) массовых состояния с различными массами. Массовые и флейворные состояния не совпадают: каждое массовое состояние можно представить как смесь трёх ароматов, и наоборот — флейворное состояние разлагается в сумму трёх массовых состояний.

Нейтрино реагируют с другими частицами только в чистых флейворных состояниях, а вот распространяются в пространстве они в качестве чистых массовых состояний — точнее, каждая массовая компонента при равных энергиях движется со своей скоростью. Мюонное нейтрино, родившись, являет собою чистое флейворное состояние и одновременно смесь трёх массовых компонент. При движении в пространстве тяжёлые компоненты отстают от лёгких, и вся смесь в разных точках траектории будет выглядеть немного по-разному. И если в начале траектории вероятность обнаружить там электронное нейтрино равнялась нулю, то из этого еще нельзя сделать вывод, что такой она и останется. Рано или поздно это нейтрино сможет проявить свой электронный характер.

Подобные превращения невозможны при нулевых массах нейтрино. Ведь в соответствии со специальной теорией относительности, безмассовая частица должна двигаться строго со скоростью света. А значит, все три массовые компоненты, имеющие нулевую массу, двигались бы с одинаковой скоростью. На любом расстоянии от источника состав пучка был бы один и тот же в разложении по массовым компонентам, следовательно, и флейворный состав не менялся бы. Собственно, именно открытие нейтринных осцилляций и показало, что нейтрино — не безмассовые частицы, какими они долго считались.

ЦЕРН — Гран-Сассо

Детектор, в котором недавно был обнаружен важный (хотя, в общем-то, ожидавшийся) эффект, связанный с нейтринными осцилляциями, называется OPERA — Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus («осцилляционный проект с эмульсионно-трекинговой установкой»). В этом эксперименте было впервые зарегистрировано тау-нейтрино, которое при рождении было мюонным.

Мишень детектора — сооружение довольно громоздкое: она состоит из 150 тыс. отдельных кирпичей, укрытых вертикальными и горизонтальными сцинтилляционными панелями. Каждая панель в длину 6,7 м, а в ширину — 2,5 м. На одну мишень укладывается 256 вертикальных и 256 горизонтальных панелей. Фото: Marcos Dracos arcos Dracos — IN2P3 & Opera collaboration

Эксперимент OPERA был запущен в 2006 году, сейчас в его проведении участвует 170 человек из 33 институтов 12 стран, в том числе и физики из России. Детектор нейтрино находится в одном из огромных залов подземной лаборатории Гран-Сассо (Национальный институт ядерной физики, Италия) на глубине более километра в тоннеле под самым высоким хребтом Апеннинских гор в центральной Италии. Установка состоит из 150 тыс. сборок — «кирпичей», каждый из которых сложен из плёночных фотоэмульсий, прослоённых листами свинца миллиметровой толщины. «Кирпичи», общая масса которых составляет 1250 т, при необходимости достают из кладки с помощью специального робота; конечно, не наугад, а из тех конкретных позиций, где могло произойти интересующее физиков событие, приближённо восстановленное с помощью электронных трековых детекторов установки. Треки частиц, запечатлённые на эмульсиях, сканируются и обрабатываются на компьютерах, что позволяет точно восстановить детали события.

Пучок мюонных нейтрино, облучающий установку, создаётся ускорителем в ЦЕРНе (CERN, Европейская организация ядерных исследований), находящемся вблизи Женевы и за последнее время ставшем популярным в широких массах благодаря Большому адронному коллайдеру (Large Hardon Collider) и голливудским блокбастерам. Пучок нейтрино за 2,5 мс преодолевает 732 км от источника до детектора под Альпами и Апеннинами. Почти все нейтрино, как им и положено, свободно проходят сквозь горные породы на своем пути. Однако малая доля этих частиц всё-таки реагирует с веществом, рождая горизонтально движущиеся мюоны. Проникающая способность мюонов тоже довольно высока (десятки и сотни метров грунта), хотя им и далеко до нейтрино. Эти мюоны хорошо видит не только OPERA, зарегистрировавшая тысячи таких вторичных частиц за три с лишним года наблюдений, но и другие детекторы в лаборатории (Borexino и LVD).

Мюонные нейтрино по пути из ЦЕРНа испытывают осцилляции, частично превращаясь в тау-нейтрино. Последние при взаимодействии с веществом рождают не мюоны, а очень короткоживущие массивные тау-лептоны, которые до распада успевают пролететь в среднем лишь полмиллиметра. Такое событие и было наконец обнаружено при просмотре фотоэмульсий — рождение и распад тау-лептона, а также вся его короткая биография, уместившаяся в едва заметный миллиметровый трек. Следует отметить, что осцилляционное исчезновение мюонных нейтрино наблюдалось и ранее, однако возникновение именно тау-нейтрино из мюонных подтверждается лишь сейчас. Впрочем, для окончательного подтверждения мю-тау-осцилляций необходимо обнаружение еще нескольких событий-кандидатов.

В эксперименте MINOS нейтрино преодолевают путь от Чикаго до Дальнего детектора на границе США и Канады. По сравнению с расстоянием от Земли до Солнца, путь невелик, но кое-что из случившегося по дороге удается заметить. Иллюстрация: Fermilab, Google

Фермилаб — Судан

Другой ускорительный эксперимент, исследующий нейтринные осцилляции, носит название MINOS и проводится в США. Он включает в себя два детектора нейтрино. Ближний детектор, с массой мишени около тысячи тонн, находится на расстоянии километра от источника нейтрино в Фермилабе (Fermi National Accelerator Laboratory) поблизости от Чикаго. Дальний детектор раз в пять тяжелее; он расположен в 735 км к северо-западу, в подземной лаборатории Судан на 700-метровой глубине. Обе установки представляют собой сложнейшие конструкции из полос пластикового сцинтиллятора (вещества, превращающего энергию заряженных частиц в свет), стальных листов-поглотителей, волоконных световодов и многоанодных фотоумножителей.

Пучок мюонных нейтрино создаётся каждые две секунды, когда сгусток протонов высокой энергии выводится из ускорителя и «щёлкает» по графитовой мишени. Образовавшиеся нестабильные частицы — пи-мезоны и К-мезоны — быстро распадаются, рождая нейтрино и антинейтрино. Отклоняя траектории мезонов магнитным полем, можно добиться, чтобы в направлении детекторов вылетали только нейтрино или только антинейтрино.

Пучок нейтрино (или антинейтрино) с энергией в десятки гигаэлектрон-вольт пролетает сквозь Ближний детектор, где некоторая, очень небольшая доля «особо невезучих» частиц реагирует с его веществом, рождая легко обнаруживаемые мюоны (на самом деле далеко не при каждом «выстреле» происходит хотя бы одна реакция). Затем за 2,5 мс пучок, двигаясь почти со скоростью света, пересекает по диагонали штат Висконсин — для нейтрино, разумеется, не составляет труда проникнуть сквозь сотни километров горных пород — и попадает в Дальний детектор (Far detector). Здесь у нейтрино появляется ещё один шанс, погибнув, принести пользу науке.

После учёта и исключения всех сопутствующих эффектов (например, расхождение пучка) в конечном балансе выявляется недостача мюонных нейтрино в Дальнем детекторе по сравнению с Ближним. Эту «усушку и утруску» за время пути остаётся приписать только нейтринным осцилляциям. Однако самое интересное и неожиданное, что нейтрино и антинейтрино, кажется, осциллируют по-разному. Слово «кажется» здесь имеет совершенно конкретное выражение на языке теории вероятностей: 95 шансов из 100, что наблюдаемый эффект — не просто игра статистики, а действительное различие в параметрах осцилляций частиц и античастиц.

Теоретикам иной раз приходится сообща поломать голову, чтобы найти правильную интерпретацию эксперимента. Фото (Creative Commons license): aaskpang

Слегка кривое зеркало

Сделаем небольшое отступление. Частицы и соответствующие античастицы должны различаться по своим свойствам — это вытекает из самого нашего существования. Если бы все частицы были полностью идентичны своим античастицам (с точностью до замены плюса на минус в зарядах), то они рождались бы во время Большого Взрыва в совершенно одинаковых количествах и вскоре после него проаннигилировали бы друг с другом без остатка. Вокруг нас не было бы ни протонов, ни электронов, да и нас самих бы, разумеется, не было — мир состоял бы из фотонов и нейтрино, практически без всякой примеси обычного вещества.

Итак, некоторое (пусть небольшое) различие свойств частиц и античастиц (пусть не всех) является необходимым условием существования Вселенной в таком виде, в котором мы её наблюдаем сегодня; это одно из трёх так называемых «условий Сахарова». Чтобы вещество в современной Вселенной доминировало над антивеществом, определённые процессы должны протекать слегка по-другому, если заменить в них частицы на античастицы и наоборот, а затем отразить процесс в зеркале, то есть заменить правое на левое. Такая асимметрия называется «нарушением CP-инвариантности» или «несохранением комбинированной чётности». Какой именно механизм едва заметной асимметрии отвечает за избыток вещества в ранней Вселенной, пока неизвестно. Слабое нарушение CP-инвариантности действительно было обнаружено в распадах нейтральных К- и B-мезонов.

Беда в том, что наблюдаемая асимметричность у кварков, из которых состоят мезоны, очень незначительна; она не может объяснить «почти-отсутствие» антивещества в нашем мире. А у другой группы частиц — лептонов (включающих нейтрино, а также электроны и их тяжёлые нестабильные аналоги — мюоны и тау-лептоны) нарушение CP-инвариантности пока никто не наблюдал. Такие нарушение в лептонном секторе может реализовать в очень ранней Вселенной сценарий «недорода» античастиц, известный как лептогенезис. Поэтому новые данные экспериментов по нейтринным осцилляциям, доложенные на недавней конференции «Нейтрино-2010» в Афинах, так заинтересовали физическое сообщество: возможно, именно результаты MINOSа и MiniBooNE (о последнем мы расскажем чуть ниже), за которыми стоит многолетняя работа почти трехсот физиков из Бразилии, Великобритании, Греции, России, США и Франции, позволят дать ответ, почему в современной Вселенной вещество доминирует.

Впрочем, всё ещё не исключена возможность, что видимое различие свойств частиц и античастиц в эксперименте MINOS связано с недооценкой экспериментальных погрешностей или просто со статистическими выбросами. Чтобы уверенно сказать, что эффект действительно связан с «новой физикой», следует набрать больше данных и подтвердить результаты в других экспериментах, желательно с другой методикой. И действительно, как по заказу, на этой же конференции был заявлен ещё один результат, также указывающий на возможное различие свойств нейтрино и антинейтрино.

MiniBooNE — ещё одна загадка

Нейтринный эксперимент MiniBooNE (это действующая в настоящее время первая очередь проекта BooNE — Booster Neutrino Experiment), как и MINOS, проводится в Фермилабе. В отличие от «длиннобазовых» экспериментов MINOS и OPERA, здесь от источника до детектора всего полкилометра, да и энергия нейтрино раз в сто меньше. Детектор относительно невелик — «всего лишь» 800 т прозрачного жидкого углеводорода в качестве мишени. Жидкость содержится в 12-метровой сфере, на стенках которой размещены полторы тысячи фотоумножителей; они просматривают мишень, регистрируя даже единичные фотоны. Чтобы создать чистый пучок мюонных нейтрино или антинейтрино, на фокусирующий магнитный горн протонного ускорителя подаётся колоссальный импульс тока в 175 кА длительностью всего 140 мкс, сравнимый с одновременным разрядом десятка молний. Нейтринный пучок проходит сквозь детектор пять раз в секунду, но в среднем лишь один сгусток частиц из ста даёт ожидаемое событие — нейтрино взаимодействует с веществом и (в зависимости от своего аромата в этот момент) рождает мюон или электрон, который, в свою очередь, создаёт вспышку света. За год таких событий накапливается около миллиона. Кстати, сквозь детектор проходит и высокоэнергетичный пучок MINOSа.

Финальный этап монтажа фотоумножителей на поверхности мишени эксперимента MiniBooNE в Принстоне. Фото: Fermilab

MiniBooNE был задуман, чтобы проверить пока необъяснённый результат другого осцилляционного эксперимента — LSND, завершившегося в 1998 году. Лучшим объяснением результатов LSND казалось введение «стерильного» нейтрино — частицы, не испытывающей даже слабого взаимодействия, разрешённого для обычных нейтрино, однако проявляющей себя в осцилляциях. Но «бритва Оккама» — фундаментальный принцип, запрещающий вводить новые сущности без необходимости, — заставляет искать подтверждения таких экстраординарных выводов в независимых экспериментах.

Вначале MiniBooNE работал с нейтринными пучками (в то время как LSND использовал антинейтрино), и результаты LSND не подтверждались — конечно, если использовать «почти естественное» предположение, что нейтрино и антинейтрино осциллируют одинаковым образом. Однако в «антинейтринном режиме» неожиданно обнаружился избыток электронных антинейтрино по сравнению с ожидаемым значением, причём он согласуется с данными LSND. Этот результат в принципе можно объяснить, если считать, что антинейтрино (и электронные, и мюонные) при осцилляциях могут превращаться в гипотетические стерильные нейтрино, а для нейтрино этот процесс почему-либо подавлен.

Итак, если эффекты, обнаруженные коллаборациями MINOS и MiniBooNE, подтвердятся при дальнейшем накоплении данных, то, возможно, они действительно связаны с различием в свойствах материи и антиматерии в нейтринном секторе. А это, в свою очередь, даст нам ключ к разрешению одной из важнейших загадок Вселенной — почему в ней вещество преобладает над антивеществом.