Группа OPERA опубликовала результаты итогового анализа данных, собранных на детекторе нейтрино в Гран-Сассо в 2008–2012 годах. С помощью более аккуратного анализа ученым удалось разглядеть в этих данных десять событий, отвечающих превращению мюонных нейтрино в тау-нейтрино, измерить квадрат разницы масс этих типов нейтрино и сечение взаимодействия тау-нейтрино с заряженным током, а также подтвердить, что тау-нейтрино обладают отрицательным лептонным числом. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
В Стандартной модели масса нейтрино в точности равна нулю. Тем не менее, поставленные в конце прошлого века эксперименты (а также более поздние) показали, что в действительности нейтрино постоянно осциллируют, то есть превращаются из одного типа в другой. Так, электронные нейтрино, родившееся в термоядерных реакциях внутри Солнца, успевают много раз превратиться в мюонные и тау-нейтрино, пока летят до Земли, и в результате детекторы регистрируют примерно одинаковый поток различных типов нейтрино. Если бы масса нейтрино в самом деле была нулевой, как предсказывает Стандартная модель, такие осцилляции были бы невозможны. Эта несогласованность заставляет ученых разрабатывать новые теоретические модели, а также более внимательно изучать осцилляции нейтрино на практике.
В частности, детектор OPERA, расположенный в Гран-Сассо (Италия), предназначен для изучения мюонных нейтрино, которые рождаются в результате столкновений протонных пучков на суперсинхротроне SPS в ЦЕРНе и превращаются в тау-нейтрино по пути к детектору. В среднем энергия частиц, образующихся по такой схеме, составляет 17 гигаэлектронвольт — следовательно, нейтрино движутся с околосветовой скоростью, и времени на превращение у них практически нет (расстояние между Женевой и Гран-Сассо они пролетают чуть больше чем за 2,4 миллисекунды). Тем не менее, небольшая доля мюонных нейтрино все-таки успеет изменить свой тип, и за несколько лет наблюдений такие события можно увидеть.
Чтобы поймать и определить тип «неуловимых» частиц, в детекторе OPERA используется 1,5 тысячи свинцовых пластинок размерами примерно 13×10×7 сантиметров и весом около 8,3 килограмм, объединенных в 31 колонну и проложенных фотопленками. Когда нейтрино сталкивается с ядром свинца, оно обменивается с ним заряженным W-бозоном (это так называемый заряженный ток, charged current), и в результате в объеме пластинки рождаются новые частицы, которые регистрируются на фотопленке и отслеживаются с помощью магнитного детектора. Это позволяет проследить их траекторию и установить тип нейтрино, вступившего во взаимодействие с ядром.
Тау-нейтрино отличаются от остальных типов характерной топологией распада, оставляя после себя либо одну заряженную частицу (электрон, мюон или адрон), либо три адрона. Измеряя кинематические параметры родившихся частиц и соотнося их друг с другом, можно сказать, в какой точке детектора и в результате какого распада они появились. К сожалению, некоторые другие процессы (например, распад очарованных адронов), которые должны происходить в детекторе, также приводят к рождению похожих частиц и мешают выделить события, отвечающие тау-нейтрино, из общего потока. В предыдущем анализе данных, собранных в 2008–2012 годах, ученые сообщали о пяти достоверно обнаруженных тау-нейтрино. За это время на ускорителе в ЦЕРНе успели столкнуться почти 1,8×1020 протонов, а в объеме детектора OPERA было зарегистрировано 19505 нейтрино. В новой работе физики провели более глубокий анализ тех же самых данных, используя многомерный подход (multivariate approach). Это позволило им разглядеть еще пять событий, отвечающих тау-нейтрино и довести полное число событий до десяти: в шести случаях нейтрино превратилось в адрон, в трех случаях — в три адрона, и еще в одном случае — в мюон. В целом, такие результаты совпадают с теоретическими оценками на число реакций внутри детектора.
Увеличившаяся в два раза статистика по нейтрино позволила ученым уточнить несколько параметров, отвечающих за осцилляции. Например, квадрат разности масс нейтрино 2 и 3 типов физики оценивают величиной Δm232 ≈ (2,7±0,6)×10−3квадратных электронвольт, а измеренное сечение взаимодействия тау-нейтрино через заряженный ток — величиной σ ≈ (5,1±2,2)×10−36 квадратных сантиметров. Оба этих результата согласуются с теоретическими расчетами с помощью программы GENIE и результатами многочисленных предыдущих измерений, однако эксперимент OPERA — первый, в котором измерения проводились для «возникающей» моды (appearance mode). Кроме того, в этом эксперименте тау-нейтрино наблюдались независимо от тау-антинейтрино, что позволило физикам впервые напрямую измерить лептонное число частицы. Оказалось, что со статистической значимостью около 3,7σ тау-нейтрино обладают отрицательным лептонным числом.
В 2015 году Нобелевскую премию по физике присудили Такааки Кадзита и Артуру МакДональду «за открытие осцилляций нейтрино, которые доказывают, что у нейтрино есть масса».
В завершенном на данный момент эксперименте OPERA проводился поиск редких событий нейтринных осцилляций – появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. OPERA – это гибридный детектор: электронные детекторы регистрируют нейтринные взаимодействия в режиме реального времени и позволяют выделить вершину с точностью до блока, а «тонкий» анализ события на микронном уровне делается путем изучения трековой информации в ядерной фотоэмульсии после извлечения блока из детектора. В этом состояло большое отличие установки от большинства детекторов.
ОИЯИ принимал участие в подготовке эксперимента с самого начала, вместе с группами из Франции, Бельгии и Швейцарии была разработана и создана трековая система целеуказания (ТСЦ). Трековые детекторы собирались из сцинтилляционных стрипов, которые были произведены в Харькове, в Институте монокристаллов, с которым ОИЯИ связывает многолетнее сотрудничество. Специалисты из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ участвовали в автоматизации производства и организации контроля качества продукции. Приняв активное участие в создании детектора, сравнительно небольшая группа ОИЯИ в дальнейшем была ответственной и за анализ информации ТСЦ. В Дубне были разработаны алгоритмы и созданы программы, с помощью которых определяется блок мишени, содержащий вершину, – основная задача электронных трековых детекторов.
Идея нейтринных осцилляций родилась в Дубне более 50 лет назад. Тогда существование нейтринных осцилляций первым предположил Бруно Понтекорво, ученый, который долгие годы жил и работал в Дубне. Автор многих блестящих идей в области физики нейтрино, он еще в 1957 году опубликовал работу, где обсуждалась возможность переходов нейтрино в антинейтрино.