Нобелевская премия по физике — 2015

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2015 года: Артур Брюс Макдональд (Arthur Bruce McDonald) и Такааки Кадзита (Takaaki Kajita). Фото © Lars Hagberg / Reuters и AFP

Нобелевская премия по физике за 2015 год присуждена Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald) — руководителям двух экспериментальных групп, Super-Kamiokande и SNO, изучающих свойства нейтрино — легчайших, загадочных и самых неуловимых среди всех известных элементарных частиц. Их измерения на рубеже веков убедительно доказали, что нейтрино, которых известно три сорта, способны осциллировать — самопроизвольно превращаться на лету друг в друга. Экспериментальная демонстрация этого факта и измерение параметров осцилляций поставили нейтринную физику с головы на ноги и привели к бурному прогрессу в этой области физики.

Действующие лица

У физического «Нобеля» этого года несколько действующих лиц. Во-первых, это объекты исследования — нейтрино, самые легкие и самые загадочные из известных частиц. Нейтрино бывают трех сортов: электронное (ν_e), мюонное (ν_μ) и тау-нейтрино (ν_τ), но только эти три сорта не обособлены, а постоянно как бы «перетекают» друг в друга на лету. Нейтрино может родиться в электронной ипостаси, но, пролетев километры и попав в детектор, проявиться там как мюонное или тау. Это и называется «осцилляции нейтрино» — тот физический эффект, за доказательство реальности которого и присуждена Нобелевская премия по физике в 2015 году.

Осциллируют нейтрино вот почему. Нейтрино определенного сорта, например электронное, не имеет фиксированной массы. Оно является суперпозицией нейтринных состояний с определенными, и причем разными, массами: ν₁, ν₂, ν₃. Мюонное нейтрино — это тоже квантовая суперпозиция тех же ν₁, ν₂, и ν₃, но только это уже другая суперпозиция. Рождаться в реакциях с элементарными частицами могут нейтрино определенного сорта, а распространяться в пространстве могут нейтрино определенной массы. Когда рождается чистое электронное нейтрино, три его массовых компонента очень четко синхронизированы друг с другом. Но по мере движения эта балансировка сбивается, и чистое электронное нейтрино приобретает некоторую долю «мюонности». Всё это — чистый квантовый эффект во всей своей красе, демонстрация квантовой механики на километровых масштабах.

Описанная выше разбалансировка может происходить, только если три состояния ν₁, ν₂, и ν₃ имеют разную пространственную периодичность, а значит, разную массу (рис. 1). Поэтому экспериментальное наблюдение осцилляций — это доказательство того, что у нейтрино есть массы и что эти массы разные. Ну а измерение интенсивности осцилляций и их периодичности позволяет извлечь разности масс и параметры смешивания нейтрино. Микроскопическая суть этого явления похожа на смешивание кварков, за которое дали премию 2008 года. Но только в кварках осцилляции происходят на сверхмалых расстояниях и потому ненаблюдаемы, а у нейтрино, из-за их безумно маленьких масс, — на больших, километровых расстояниях.

Рис. 1. Иллюстрация превращения на лету нейтрино мюонного сорта в электронное нейтрино, а затем обратно в мюонное. Рисунок с сайта physicsworld.com

Вторая группа действующих лиц — это Солнце, Земля и ее атмосфера, то есть те места, где нейтрино рождаются. Есть огромный поток нейтрино, вылетающих из центра Солнца, из области протекания реакций термоядерного синтеза. Есть также большой поток нейтрино, рождающихся в атмосфере при бомбардировке Земли космическими лучами. Оба потока хорошо измеряются в нейтринных детекторах, и оба, в конце XX века, сильно расходились с теоретическими предсказаниями. Эти две нейтринных аномалии, солнечная и атмосферная, стали тогда источником постоянной головной боли для физиков.

И наконец, главные актеры — две коллаборации, Super-Kamiokande в Японии и SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаде, два коллектива физиков-экспериментаторов, которые впервые безоговорочно доказали реальность нейтринных осцилляций и элегантным движением разрешили обе нейтринные загадки. Подчеркнем, что присуждение премии руководителям и вдохновителям этих коллективов, Такааки Кадзите (Takaaki Kajita) и Артуру Макдональду (Arthur B. McDonald), — это дань нобелевской традиции; реальная же научная заслуга, отмеченная этой премией, принадлежит коллаборациям целиком.

Арена действий

Что касается научной сцены действий — нейтринной физики в 90-е годы, — то выглядела она вот как. Нейтрино были к тому времени известны уже полвека и стали для физиков вполне «родными» частицами. За них были даже присуждены две Нобелевские премии по физике: в 1988 году за открытие мюонных нейтрино и в 1995 году за самое первое открытие нейтрино, еще электронного сорта (да, не удивляйтесь, исходное открытие было отмечено Нобелевским комитетом позже, чем расширение списка нейтрино). Через несколько лет, в 2002 году, присудят и третью премию (точнее, ее половину), за открытие солнечных нейтрино, из которого потом выросла солнечная аномалия.

Однако с теоретической точки зрения ситуация была несколько двусмысленная. Можно сказать, что физики знали всё про «социальные связи» нейтрино и ничего — про их «личную жизнь». С одной стороны, про реакции нейтрино с другими частицами — а они протекают только за счет слабого взаимодействия — физикам было всё более или менее известно. С другой стороны, благодаря ранним работам теоретиков, физики также были в курсе, что нейтрино — в принципе! — могут испытывать осцилляции. Были описаны общие черты этого явления, но, поскольку никто тогда осцилляции еще не наблюдал, ни массы нейтрино, ни осцилляционные параметры совершенно не были известны. Тем не менее, когда физики обсуждали нейтринные аномалии, они всегда держали в уме возможность того, что их удастся объяснить осцилляциями с подходящими параметрами. И хотя в те годы предлагались и другие возможности объяснения, многие физики верили, что тут дело скорее всего в осцилляциях — надо лишь это доказать экспериментально. А вот в этом и была загвоздка.

Акт первый: проблема с атмосферными нейтрино

Землю постоянно бомбардирует поток космических лучей разных энергий, в основном протонов (рис. 2). Сталкиваясь с ядрами молекул высоко в атмосфере, они порождают потоки вторичных частиц, в том числе пи-мезоны. Если пи-мезон по пути не воткнулся в другое ядро, то он, в свою очередь, распадается на мюон и мюонное же антинейтрино. Дальше мюон распадается на электрон, мюонное нейтрино, и электронное антинейтрино. В результате этой цепочки распадов до Земли долетают нейтрино в соотношении ν_μ:ν_e = 2:1. (Уточним: поток атмосферных нейтрино подразумевает суммарный поток нейтрино и антинейтрино.)

Рис. 2. Рождение мюонных и электронных нейтрино в атмосфере Земли. Рисунок из статьи T. Kajita, 2006. Discovery of neutrino oscillations

Это слегка идеализированная ситуация; она предполагает, что мюоны успевают распасться до столкновения с Землей. Это так для мюонов достаточно низкой энергии, ниже 1 ГэВ. У более высокоэнергетических мюонов распад настолько замедляется, что они успевают достичь Земли и там провзаимодействовать. Тогда уже они не произведут нейтринную пару, а значит, соотношение ν_μ:ν_e в среднем вырастет еще больше. Однако начиная с 1980-х годов эксперименты показывали соотношение существенно меньше заветной двойки — и в этом и заключалась загадка.

Рис. 3. Потоки электронных и мюонных нейтрино в зависимости от импульса, измеренные экспериментом Kamiokande в 1991 году. Черная линия — исходные теоретические ожидания, серая линия — вариант описания с учетом осцилляций. Графики из статьи K. S. Hirata et al., 1992. Observation of a small atmospheric νμ/νe ratio in Kamiokande

В 1983 году в Японии был запущен эксперимент Kamiokande, первоначальной целью которого был поиск распада протона. Детектор представляет собой большую подземную цистерну, расположенную в старой шахте внутри горы и заполненную сверхчистой водой. Внутренние стенки детектора сплошь покрыты чувствительными фотоумножителями, которые регистрируют световую вспышку от какого-то события внутри рабочего вещества. Достаточно энергетическое нейтрино электронного или мюонного сорта, сталкиваясь с атомным ядром, превращается в электрон или мюон, который летит вперед с большой скоростью и излучает свет за счет эффекта Вавилова–Черенкова. Благодаря этому, детектор не только обнаруживает нейтрино, но и определяет его сорт, энергию и направление прилета — и это выгодно отличает его от более простых накопительных экспериментов, которые просто подсчитывали нейтрино. Правда, такой способ регистрации срабатывает только при энергиях выше примерно сотни МэВ, но для атмосферных нейтрино достичь таких энергий — не проблема.

Надо еще сказать, что, поскольку Земля для нейтрино прозрачна, они могут прилетать отовсюду, в том числе и с противоположной стороны Земли, а не только из атмосферы прямо над детектором. Измеряя направление прилета нейтрино, можно узнать, где оно родилось. Поэтому исследователи могут строить распределения не только по энергии, но и по углу прилета нейтрино.

В 1988 году Kamiokande, уже в модернизированном виде, измерил потоки электронных и мюонных нейтрино и увидел, что мюонных нейтрино прилетает существенно меньше, чем ожидалось. Данные накапливались еще несколько лет, и в 1991 году более точные результаты показали, что отношение ν_μ:ν_e составляет в среднем всего (60±8)% от ожидаемого. Атмосферная аномалия встала в полный рост, но что являлось ее причиной, было непонятно.

Один из вариантов объяснения — осцилляции, из-за которых поток мюонных нейтрино ослабевает на пути к детектору. Уже в статье 1992 года приводится график, доказывающий, что такое объяснение действительно работает (рис. 3). Но были и другие варианты, например какие-то новые процессы, приводящие к увеличению электронной компоненты, или еще более экзотические возможности. Поэтому для полной убедительности не хватало ключевого доказательства, что осцилляции действительно происходят.

В середине 1990-х годов рабочий объем детектора был кардинально увеличен, и установка получила звонкую приставку «супер-». Это позволило резко поднять темп регистрации нейтрино и уменьшить погрешности. В 1998 году на конференции по физике и астрофизике нейтрино Такааки Кадзита от имени коллаборации сделал доклад, в котором приводил новые данные Super-Kamiokande не только по величине потоков, но и по их угловому распределению. Такие данные были и раньше, но тогда погрешности не позволяли заметить ничего необычного. Из доклада Такааки Кадзиты стало совершенно очевидно, что с противоположной стороны Земли прилетает гораздо меньше мюонных нейтрино, чем сверху (рис. 4).

Рис. 4. Слайд с презентации Такааки Кадзиты с явным указанием на то, что нейтрино осциллируют. Изображение с сайта symmetrymagazine.org

Для электронных нейтрино такой закономерности не наблюдалось (рис. 5). Если бы не было осцилляций, потоки снизу и сверху были бы примерно равны. «Пропажа» далеких мюонных нейтрино означает, что на своем тысячекилометровом пути к детектору существенная их часть успела превратиться в другие нейтрино. Более того, даже понятно в какие: это не электронные нейтрино, поскольку их поток практически не изменился; значит, это тау-нейтрино, которые детектор не отслеживал.

Рис. 5. Потоки электронных и мюонных нейтрино низких и высоких энергий, пришедших с разных направлений. Угол Θ отсчитывается от зенита; значение cos Θ = 1 отвечает нейтрино, идущим сверху вниз, cos Θ = −1 — идущим снизу вверх, cos Θ = 0 — идущим горизонтально. Голубые полоски показывают ожидаемый поток в предположении, что нейтрино не осциллируют, красная гистограмма — поток с учетом осцилляций. График из статьи Neutrino oscillations, подготовленной по заказу Нобелевского комитета физическим отделением Шведской академии наук

В том же году коллаборация публикует статью Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, в которой об осцилляциях сообщается как об открытом факте. Там же приводятся первые оценки разницы нейтринных масс и параметров осцилляций. Спустя несколько месяцев два других нейтринных детектора, Soudan-2 и MACRO, тоже измерили зависимость потоков от зенитного угла и полностью подтвердили результат японской группы. То, о чем давно мечтали теоретики, стало обретать контуры реальности, стало соответствовать нашему миру. Обзор ситуации по состоянию на 2000 год можно найти в заметке Нейтрино, его масса и осцилляции

Надо добавить, что все эти первоначальные свидетельства в пользу нейтринных осцилляций были получены в «экспериментах по исчезновению». Это эксперименты такого типа, когда мы измеряем поток, видим, что он слабее, чем ожидалось, и догадываемся, что искомые нейтрино превратились в другой сорт. Для большей убедительности нужно тот же процесс увидеть и напрямую, через «эксперимент по возникновению» нейтрино. Такие эксперименты сейчас тоже ведутся, и их результаты согласуются с экспериментами по исчезновению. Например, в ЦЕРНе есть специальная ускорительная линия, которая «стреляет» мощным пучком мюонных нейтрино в направлении итальянской лаборатории Гран-Сассо, находящейся за 732 км от нее. Установленный в Италии детектор OPERA ищет в этом потоке тау-нейтрино. За пять лет работы OPERA поймала уже пять тау-нейтрино, так что это окончательно доказывает реальность обнаруженных ранее осцилляций.

Акт второй: солнечная аномалия

Вторая загадка нейтринной физики, требовавшая разрешения, касалась солнечных нейтрино. Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного синтеза, они сопровождают те реакции, за счет которых Солнце и светит. Благодаря современной астрофизике мы хорошо знаем, что должно происходить в центре Солнца, а значит, можем вычислить темп производства там нейтрино и их поток, попадающий на Землю. Измерив этот поток в эксперименте (рис. 6), мы тем самым сможем впервые заглянуть прямо в центр Солнца и проверить, насколько хорошо мы понимаем его устройство и работу.

Рис. 6. Поток солнечных нейтрино, выраженный в солнечных нейтринных единицах, по результатам эксперимента Homestake. Красный пунктир показывает предсказания солнечной стандартной модели. Изображение с сайта lappweb.in2p3.fr

Эксперименты по регистрации солнечных нейтрино проводятся с 1960-х годов; часть Нобелевской премии по физике за 2002 год ушла как раз за эти наблюдения. Поскольку энергия солнечных нейтрино маленькая, порядка МэВ и меньше, нейтринный детектор не может определить их направление, а лишь фиксирует количество событий ядерных превращений, вызванных нейтрино. И здесь тоже сразу же возникла и постепенно крепла проблема. Например, эксперимент Homestake, проработавший около 25 лет, показал, что, несмотря на флуктуации, регистрируемый им поток в среднем в три раза меньше предсказанного астрофизиками. Эти данные были в 90-х годах подтверждены и другими экспериментами, в частности Gallex и SAGE.

Уверенность в том, что детектор работает правильно, была настолько велика, что многие физики склонялись к тому, что астрофизические теоретические предсказания где-то дают сбой — уж слишком сложные процессы идут в центре Солнца. Однако астрофизики уточняли модель и настаивали на надежности предсказаний. Таким образом, проблема не исчезала и требовала объяснения.

Конечно, и здесь теоретики уже давно думали о нейтринных осцилляциях. Предполагалось, что на пути из солнечных недр часть электронных нейтрино превращается в мюонные или тау. А поскольку эксперименты типа Homestake и GALLEX в силу своего устройства ловят исключительно электронные нейтрино, то они их и недосчитываются. Более того, в 70-80-х годах теоретики предсказали, что нейтрино, распространяющееся внутри Солнца, должно осциллировать слегка иначе, чем в вакууме (это явление получило название эффекта Михеева–Смирнова–Вольфенштейна), что тоже могло бы помочь с объяснением солнечной аномалии.

Чтобы разрешить проблему солнечных нейтрино, требовалось сделать простую, казалось бы, вещь: построить такой детектор, который смог бы улавливать полный поток всех типов нейтрино, а также, отдельно, поток нейтрино электронных. Именно тогда можно будет убедиться, что нейтрино, произведенные внутри Солнца, не исчезают, а просто меняют свой сорт. Но из-за малости энергии нейтрино это было проблематично: ведь они не могут превратиться в мюон или тау-лептон. Значит, искать их надо как-то иначе.

Детектор Super-Kamiokande попробовал справиться с этой задачей, используя упругое рассеяние нейтрино на электронах атома и регистрируя ту отдачу, которую получает электрон. Такой процесс, в принципе, чувствителен к нейтрино всех сортов, но из-за особенностей слабого взаимодействия подавляющий вклад в него дает электронное нейтрино. Поэтому чувствительность к полному нейтринному потоку оказалась слабой.

И вот здесь решающее слово сказал другой нейтринный детектор, SNO. В нем, в отличие от Super-Kamiokande, использовалась не обычная, а тяжелая вода, содержащая дейтерий. Ядро дейтерия — дейтрон — это слабо связанная система протона и нейтрона. От удара нейтрино с энергией несколько МэВ дейтрон может развалиться на протон и нейтрон: ν+d→ν+p+n. Такой процесс, вызванный нейтральной компонентой слабого взаимодействия (переносчик — Z-бозон), имеет одинаковую чувствительность к нейтрино всех трех типов, а регистрируется он легко по захвату нейтрона ядрами дейтерия и высвечиванию гамма-кванта. Кроме того, SNO отдельно может регистрировать и чисто электронные нейтрино по расщеплению дейтрона на два протона, νe+d→e+p+p, которое происходит за счет заряженной компоненты слабых взаимодействий (переносчик — W-бозон).

Рис. 7. Потоки электронных (по горизонтали) и мюонных плюс тау-нейтрино (по вертикали), идущих от Солнца. Серая полоса — результат Super-Kamiоkande, цветные полосы — результаты эксперимента SNO, полученные разными способами. Полоса, ограниченная пунктирами, — предсказания солнечной модели. Обозначения: CC — заряженная часть слабых взаимодействий, NC — нейтральная часть, ES — упругое рассеяние на электронах. График из статьи Neutrino oscillations, подготовленной по заказу Нобелевского комитета физическим отделением Шведской академии наук

Коллаборация SNO начала набирать статистику в 1998 году, и, когда данных накопилось достаточно, она в двух публикациях, 2001-го и 2002 года, представила результаты измерения полного нейтринного потока и его электронной компоненты (см.: Measurement of the Rate of ν_e+d→p+p+e⁻ Interactions Produced by ⁸B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory и Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory). И как-то всё вдруг встало на свои места. Полный поток нейтрино действительно совпал с тем, что предсказывала солнечная модель. Электронная часть действительно составляла всего лишь треть от этого потока, в согласии с более ранними многочисленными экспериментами прошлого поколения. Таким образом, никуда солнечные нейтрино не потерялись — просто, родившись в центре Солнца в форме электронных нейтрино, они действительно на пути к  Земле перешли в нейтрино другого сорта.

Акт третий, продолжающийся

Тогда, на рубеже веков, проводились и другие нейтринные эксперименты. И хотя физики давно подозревали, что нейтрино осциллируют, именно Super-Kamiokande и SNO представили неопровержимые аргументы — в этом их научная заслуга. После их результатов в нейтринной физике как-то разом произошел фазовый переход: мучавшие всех проблемы исчезли, а осцилляции стали фактом, предметом экспериментальных исследований, а не только теоретических рассуждений. Нейтринная физика прошла через стадию взрывообразного роста, и сейчас это одна из самых активных областей физики элементарных частиц. В ней совершаются регулярно новые открытия, по всему миру запускаются новые экспериментальные установки — детекторы атмосферных, космических, реакторных, ускорительных нейтрино, — а тысячи теоретиков пытаются найти в измеренных параметрах нейтрино намеки на Новую физику.

Не исключено, что рано или поздно удастся именно в таком поиске нащупать некую теорию, которая придет на смену Стандартной модели, свяжет воедино несколько наблюдений и позволит естественным способом объяснить и нейтринные массы и осцилляции, и темную материю, и происхождение асимметрии между веществом и антивеществом в нашем мире, и другие загадки. То, что нейтринный сектор стал ключевым игроком этого поиска, — во многом заслуга Super-Kamiokande и SNO.

Источники:
1) Super-Kamiokande Collaboration. Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos // Phys. Rev. Lett. V. 81. Published 24 August 1998.
2) SNO Collaboration. Measurement of the Rate of ν_e+d→p+p+e⁻ Interactions Produced by ⁸B Solar Neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 87. Published 25 July 2001.
3) SNO Collaboration. Direct Evidence for Neutrino Flavor Transformation from Neutral-Current Interactions in the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. V. 89. Published 13 June 2002.

Игорь Иванов