Подтверждено превращение одного вида нейтрино в другой

«Каждый квадратный сантиметр вашего тела каждую секунду пронизывает 60 млрд нейтрино, исходящих от Солнца, — утверждает Антонио Эредитато (Antonio Ereditato), физик, участвующий в эксперименте OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), который проходит в Швейцарии.

И тем не менее учёным этого мало: по всем расчётам, от Солнца должно убегать больше нейтрино, чем мы можем зарегистрировать на Земле. Измерения потока нейтрино, проводимые с 1960-х годов, показывают, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино в два–три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, принятая в современной науке. Это расхождение имеет даже название — «проблема солнечных нейтрино»; оно считается одной из главных загадок солнечной физики.

В 1957 году проблему попытались объяснить: советский физик Бруно Понтекорво предположил, что нейтрино способны превращаться из одного своего типа в другие — то есть «переключаться» между электронными, мюонными и тау-нейтрино. Между тем стандартному детектору нейтрино исключительно трудно зарегистрировать мюонные и тау-нейтрино — в отличие от электронных.

Нейтринный детектор Национального института ядерной физики (Италия), где зафиксировано третье превращение мюонного нейтрино в тау-нейтрино. (Фото Paolo Lombardi / INFN-MI.)

Узким местом этой гипотезы долгое время было то, что зафиксировать факт исчезновения или отсутствия нейтрино относительно просто, а вот убедиться в том, что нейтрино появляются «из ниоткуда» (то есть из нейтрино другого типа) оказалось значительно сложнее.

Чтобы проверить гипотезу, OPERA-исследователи направляли пучки мюонных нейтрино из лаборатории в Швейцарии (через земную кору, не представляющую слишком серьезного препятствия для нейтрино) в другую лабораторию, расположенную в Италии, в 730 км от первой. Небольшая часть «посылки» регистрируется «на том конце» четырёхтысячетонной камерой, в которой нейтрино превращаются в сходную частицу и быстро распадаются. Событие порождает небольшое свечение, регистрируемое высокочувствительными фотодетекторами.

В данном случае зарегистрирован редкий на Земле переход мюонного нейтрино в тау-нейтрино, которое впоследствии испытало переход в тау-лептон, «путешествующий» примерно несколько миллиметров до распада на адроны. Фиксация события весьма трудна: с 2010 года по настоящее время такое удавалось всего два раза. Однако вероятность безошибочного определения этого события завит именно от частоты его регистрации, а потому пара фактов — это слишком мало, чтобы уверенно заявлять о превращении одного вида нейтрино в другой.

Третий случай резко повышает статистическую значимость эксперимента: шанс ошибки равен сейчас одному на миллион. Разумеется, это пока ниже достоверности обнаружения частицы, «похожей на бозон Хиггса», но достаточно для того, чтобы ещё больше уверить научное сообщество в правоте гипотезы Понтекорво.

Как отмечают авторы эксперимента, масса нейтрино предопределяет то, как часто эта его разновидность претерпевает превращения, и в зависимости от частоты таких событий для тау-нейтрино может быть измерена масса, сегодня фактически неизвестная и лишь ограниченная «сверху».

Подготовлено по материалам OPERA.