В начале июня в немецком Гейдельберге состоялась XXVIII Международная конференция по нейтринной физике и астрофизике (Neutrino 2018) — крупнейшая конференция в области нейтринной физики, проходящая раз в два года. В этом году в ней участвовало около 800 ученых.
Большинство «нейтринщиков» готовят результаты именно к этой конференции, чтобы представить их широкому кругу специалистов и лично обсудить с коллегами. Все особенно ждали результатов от экспериментов, которые работают в самых «горячих» точках этой области физики. И они не заставили себя ждать. Важные и неожиданные результаты представила коллаборация эксперимента NOvA: его измерения фундаментальных параметров нейтринных осцилляций расходятся с данными других экспериментов. Еще одним важным событием этой конференции стало сообщение коллаборации MiniBooNE о том, что они продолжают регистрировать повышенное количество нейтринных осцилляций, что можно толковать как указание на существование стерильных нейтрино.
Одна из главных задач современных нейтринных экспериментов — изучение нейтринных осцилляций — периодические изменения вида, к которому принадлежит нейтрино, при движении в пространстве. Это явление хорошо известно и определяется самой природой частиц. За открытие нейтринных осцилляций была присуждена Нобелевская премия по физике в 2015 году.
В Стандартной модели известно о трех видах нейтрино — электронном, мюонном и тау (на физическом жаргоне эти виды называют «ароматами»). Неожиданным оказалось то, что эти — разные — нейтрино могут смешиваться и менять свою «видовую принадлежность». Чтобы описать этот процесс, удобно представлять нейтрино, как суперпозицию других частиц — так называемых «массовых» нейтрино. Их тоже три типа, они характеризуются разной массой и носят условные названия 1, 2 и 3. При распространении в пространстве «массовые» нейтрино приобретают разные скорости из-за разной массы: в потоке легчайшие частицы двигаются быстрее, а самые тяжелые — медленнее. Поэтому состав «массовых» частиц меняется при движении, что вызывает и изменение вида («аромата») нейтрино. Например, если изначально был рожден пучок мюонных нейтрино, то после прохождения какого-то расстояния в этом пучке появляются электронные и тау-нейтрино. Кварки обладают аналогичным свойством.
За физику нейтрино уже было получено четыре Нобелевские премии, но открытых вопросов остается еще очень много. Так что перед нейтринными экспериментами стоят следующие задачи: определение природы нейтрино — это частицы Дирака (нейтрино и антинейтрино — разные частицы) или частицы Майораны (нейтрино и антинейтрино — одна и та же частица), измерение массы нейтрино, поиск экзотических состояний — например, тяжелых (с массами много больше ТэВ) и стерильных нейтрино, которые взаимодействуют только через гравитационное или какое-то пока неизвестное взаимодействие. Осцилляционные эксперименты занимаются измерением в некотором роде уже классических и известных величин, которые в то же время являются важными параметрами, характеризующими одну из фундаментальных частиц природы.
Осцилляционные нейтринные эксперименты можно разделить по типу источника нейтрино. Природные (атмосферные, солнечные) нейтрино изучаются или изучались на Байкальском нейтринном телескопе и установках IceCube, Super-Kamiokande,Borexino, SNO, искусственные (реакторные, ускорительные) — на установках Daya Bay, T2K, NOvA.
Ускорительных нейтринных экспериментов сейчас работает всего два: T2K в Японии и NOvA в США. Их задачи очень похожи: изучение нейтринных осцилляций, а именно — исчезновение мюоннных и появление электронных нейтрино.
Для измерений в эксперименте NOvA используется пучок нейтрино от ускорителя NuMI, который находится в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Фермилабе). Нейтрино производятся так: сначала пучок протонов разгоняется в ускорителе до энергии 120 ГэВ, затем он выводится на мишень — графитовую пластину толщиной 1,2 м. В результате взаимодействия протонов и вещества мишени чаще всего рождаются π- и К-мезоны. Эти частицы продолжают двигаться в направлении изначального пучка в распадный канал. Самый вероятный распад мезонов происходит на пару «лептон + нейтрино». Так получается почти чистый поток мюонных нейтрино (с небольшой примесью электронных нейтрино).
Чтобы регистрировать состав пучка в начале и в конце пути, в эксперименте используются два детектора. Ближний находится на расстоянии 1 км от мишени (для измерения пучка до осцилляций), дальний — на расстоянии 810 км. Детекторы в физике нейтрино представляют собой грандиозные сооружения из-за очень слабого взаимодействия частиц с веществом. Ближний детектор эксперимента NOvA имеет размеры 15×4×4 м и весит 300 тонн, дальний детектор — размеры 60×15×15 м, а весит 14 000 тонн. Оба детектора имеют ячеистую структуру, заполненную жидким сцинтиллятором с примесью органических масел.
Если в коллайдерах накопленная статистика измеряется с помощью светимости, то в ускорительных экспериментах по осцилляциям нейтрино все определяется интенсивностью исходного протонного пучка. Поэтому измеряют эту статистику исходя из количества протонов, провзаимодействовавших с мишенью эксперимента, это величины порядка 1020.
Доклад NOvA был одним из ключевых докладов по нейтринным осцилляциям, но, разумеется, не единственным. Много времени на конференции Neutrino 2018, конечно же, уделялось будущим экспериментам в осцилляционной физике, особенно гигантам T2HK, DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO и другим. Все они — улучшенные модификации действующих сейчас экспериментов и нацелены на получение окончательных результатов по упомянутым выше вопросам.
Интересные результаты стоит ожидать и от экспериментов по поиску стерильных нейтрино (sterile neutrino) — гипотетической разновидности нейтрино, которые взаимодействуют с обычным веществом только через гравитацию. На этой конференции в нескольких докладах утверждалось о наблюдении сигнала, который можно трактовать как свидетельство в пользу этой гипотезы.
В этом году начинает полноценный набор данных эксперимент KATRIN, который будет измерять массы нейтрино, исходя из формы спектра бета-распада трития. Экспериментальная физика в этой области постепенно входит в эру все более точных измерений. С нетерпением будем ждать его первых результатов.
На самом деле каждый доклад на конференции Neutrino 2018 был интересен даже не только результатами, а еще и будущими перспективами. Следуя уже сложившейся традиции, к следующей конференции из этой серии, которая пройдет в 2020 году, появятся еще более интересные результаты, а в некоторых вопросах наконец-то будет поставлена точка.