«Оборотни» микромира
Кандидат физико-математических наук Алексей Понятов
В 2015 году Нобелевский комитет снова повернулся лицом к физике элементарных частиц.
При осцилляции происходит периодический во времени и пространстве процесс превращения разных типов нейтрино друг в друга. Причина этого, по современным представлениям, в том, что электронное, мюонное и тау-нейтрино не частицы в привычном смысле, а квантовая сумма трёх нейтринных состояний с разными массами, каждое из которых входит со своей долей. Для этих состояний названий пока не придумано, их называют просто ν1, ν2 и ν3. Воспользовавшись принятой в квантовой механике волновой интерпретацией, можно сказать, что электронное, мюонное и тау-нейтрино состоят из трёх волн, каждая из которых колеблется со своей частотой и амплитудой. Поэтому, если в начальный момент времени сумма этих волн выглядела как электронное нейтрино, то через некоторое время фазы этих волн разойдутся и они сложатся иначе, что в эксперименте выглядит как появление примесей мюонного и тау-нейтрино. В силу этого появление примесей зависит периодическим образом от расстояния между источником нейтрино и детектором.Таким образом, возникшее электронное нейтрино спустя ещё какое-то время превращается в мюонное и в тау-нейтрино. Затем через некоторое время произойдёт обратное превращение в электронное нейтрино. И всё начнётся сначала. Так что в пучке, состоящем изначально только из электронных нейтрино, по мере распространения появляется примесь мюонных и тау-нейтрино с одновременным уменьшением доли электронных, что и регистрируют экспериментаторы как дефицит в числе электронных нейтрино. Эти осцилляции (колебания), подобно обычным волнам, имеют определённую амплитуду и частоту.
Интересно, что идею нейтринных осцилляций высказал советский академик Бруно Понтекорво ещё в 1957 году. В 1969 году он вместе с другим выдающимся советским физиком Владимиром Грибовым предложил схему осцилляций мюонных и электронных нейтрино. Она объясняла обнаружение меньшего количества электронных нейтрино их превращением в мюонные. Однако в то время ещё не было известно тау-нейтрино, о существовании которого заговорили только в 1975 году, когда открыли тау-лептон (само экспериментальное открытие тау-нейтрино состоялось лишь в 2000 году). Только когда выяснилось, что существуют три вида нейтрино, способных превращаться друг в друга, стало понятным, почему измеренный поток электронных нейтрино оказался именно втрое меньше ожидаемого.
Несмотря на то что гипотеза нейтринных осцилляций появилась достаточно давно, экспериментальных доказательств этого получить долгое время не удавалось. Ситуация изменилась в середине 1990-х годов. В 1996 году начал работать модернизированный детектор в Японии, что позволило регистрировать больше нейтрино с большей точностью. Сам эксперимент получил название Супер-Камиоканде.
Чтобы поймать неуловимые нейтрино, размер детекторов делают большим, а сами нейтринные обсерватории размещают глубоко под землёй, водой или подо льдом. Их километровые слои хорошо отсеивают различные помехи, в то время как для самих нейтрино они совершенно прозрачны.
Так, установка Супер-Камиоканде расположена на глубине 1000 м в шахте старого цинкового рудника в 250 км к северо-западу от Токио. Её детектор представляет собой стальной цилиндр высотой и диаметром около 40 м, заполненный 50 000 тонн сверхчистой воды и окружённый более чем 11 000 сверхчувствительных световых детекторов, отслеживающих черенковское излучение. Когда нейтрино сталкиваются с молекулой воды в баке детектора, рождается быстрая, электрически заряженная частица. Она порождает черенковское излучение, которое измеряется световыми датчиками. Его форма и интенсивность показывают тип нейтрино и откуда они пришли.
Нейтрино приходят в детектор со всех сторон, поскольку возникают в атмосфере, окружающей Землю. Если бы осцилляций нейтрино не было, то их поток с разных направлений был бы одинаковым. Но точные измерения показали, что мюонные нейтрино, которые пришли сверху, более многочисленны, чем пришедшие с противоположной стороны. Это означает, что мюонные нейтрино, пройдя по более длинному пути через весь земной шар, успели превратиться в другой тип нейтрино. То, что поток электронных нейтрино практически не менялся, позволило сделать вывод о превращении мюонных нейтрино в тау-нейтрино, которые в эксперименте не регистрировались. Впервые этот результат представил Такааки Кадзита в докладе от имени коллаборации в 1998 году. Через несколько месяцев зависимость потока нейтрино от направления была подтверждена и в других экспериментах.
Несколько позже, в 1999 году, начался эксперимент по наблюдению за солнечными нейтрино на канадской нейтринной обсерватории Садбери (Sudbury Neutrino Observatory). Её детектор размещается на глубине 2 км в действующей никелевой шахте. Он представляет собой сферу из оргстекла диаметром 12 м, заполненную 1000 тонн тяжёлой воды, окружённой 7000 тонн обычной воды. На сфере расположено около 9500 световых датчиков.
Статьи по теме
Читайте в любое время
