Получены первые свидетельства влияния земного вещества на превращения нейтрино

Получены первые свидетельства влияния земного вещества на превращения нейтрино

Нейтрино, как известно, очень трудно зарегистрировать, поэтому полная информация об их поведении часто появляется лишь через много лет работы с крупным детектором. Вот почему публикация обзора данных нейтринного детектора SuperKamiokande, расположенного в Японии, — событие чрезвычайной важности.

Как и предсказывал полвека назад советский физик Б. М. Понтекорво, нейтрино склонны к осцилляции — переходу нейтрино одного типа в нейтрино другого типа, надёжно подтверждённому лишь в последнее время. Именно поэтому долгие годы наблюдений за солнечными нейтрино давали столь малое число регистраций электронного нейтрино, которое не совпадало с расчётами физиков: электронные нейтрино на пути от светила к земным детекторам просто превращались в свои мюонные и тау-аналоги.

Но на этом странности с солнечными нейтрино не заканчиваются. Проанализировав данные, полученные за годы работы SuperKamiokande, исследователи во главе с Эндрю Реншоу (Andrew Renshaw) из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) пришли к выводу, что поток электронных нейтрино из этого источника ночью (по японскому времени) был на 3,2% больше, чем в дневное время.

Это наблюдение неплохо укладывается в рамки эффекта Михеева — Смирнова — Вольфенштайна (МСВ), теоретически обоснованного в 1986 году, когда советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов расширили вывод, сделанный в 1978-м американским теоретиком Линкольном Вольфенштайном. По мнению этих учёных, при движении нейтрино в среде, в которой присутствуют слабо взаимодействующие с ним электроны, у него возникает эффективная масса, зависящая от плотности этих электронов и от поколения нейтрино. При изменении плотности электронов (разные слои Земли) эффективные массы нейтрино разных поколений изменяются по-своему и при некоторых значениях плотности могут совпадать, приводя к резонансному усилению нейтринных превращений. Итак, нейтринная осцилляция прямо зависит от материала, через который проходит поток нейтрино, и в космосе она будет одной, а в планетарной толще — совсем иной.

До сих пор подтвердить эффект МСВ с высокой надёжностью наблюдениями не удавалось, и лишь теперь данные SuperKamiokande позволяют с уверенностью говорить о его регистрации для тех солнечных электронных нейтрино, что проходят через Землю, — ведь именно их детектор регистрирует ночью.

Большое количество электронов, участвующих в слабом взаимодействии и тем самым способных хотя и в очень малой степени, но влиять на нейтрино, заставляли тау- и мюонные его разновидности превращаться в электронные, то есть действовали в направлении, прямо противоположном превращению электронных нейтрино в тау и мюонные, которое происходит с этими частицами в межпланетном пространстве при их движении от Солнца к Земле. Увы, пока статическая значимость эффекта на данном комплексе детекторов равна лишь 2,7σ, что по физическим меркам не так уж много. Правда, в сочетании с измерениями, проведёнными на более слабом оборудовании Нейтринной обсерватории Садбери (Канада), эта значимость повышается до 2,9σ, но и это далеко от тех 5σ, которые требуются физику для того, чтобы уверенно произнести слово «открытие». Всё, что ниже трёх сигм, принято называть скорее «свидетельством». И всё-таки перед нами весомое указание на то, что эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштайна существует.

К сожалению, то, что даже 18 лет наблюдений не дали трёх сигм, вполне закономерно: нейтрино известны трудностью их регистрации. И чтобы превратить это открытие в пять сигм, явно потребуются данные других детекторов. Впрочем, теперь, после публикации этих результатов, на такую помощь можно надеяться.

Дело в том, что если эффект реален, то он важен не только в теоретическим смысле, для объяснения суточных колебаний в регистрации электронных солнечных нейтрино. Перед нами, быть может, новый метод глубокого исследования недр Земли. Очевидно, что концентрация электронов прямо связана с тем, какие именно вещества и соединения находятся на пути солнечных нейтрино от одной стороны планеты до другой. Размещая нейтринные детекторы в разных точках планеты, можно сравнивать их данные и тем самым хотя и косвенным образом, но всё же исследовать недра так, как это никогда никому не удавалось.

Стоит заметить, что Научный совет Японии уже выбрал крупный и эффективный детектор нейтрино — HyperKamiokande — как один из наиболее приоритетных научных проектов на ближайшее будущее. Быть может, вскоре исследования превращений нейтрино, в том числе в земных недрах, выйдут на принципиально новую ступень. HyperKamiokande планируется как группа детекторов, в 25 раз превосходящая SuperKamiokande по размерам, а ведь в последнем 50 000 тонн воды в цилиндрах и более 11 000 фотоумножительных трубок.

«Будет ли он достаточно большим, чтобы сделать измерения плотности [внутренних областей] Земли с интересующей нас чувствительностью? Я в этом не уверен, — говорит Дэвид Уарк (David Wark), физик из Оксфордского университета, не принимавший участия в исследовании. — Но мы обязательно исследуем и эту возможность по мере продвижения проекта HyperKamiokande».

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters., а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.