Ученые, работающие в международном проекте OPERA, считают, что теперь можно уверенно говорить о реальности нейтринных осцилляций – превращений разных типов нейтрино друг в друга.
Физикам известны три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В тех редких случаях, когда нейтрино взаимодействуют с протонами или нейтронами, разных их типы вызывают появление соответственно электронов, мюонов или тау-лептонов. Предположение, что три типа нейтрино могут превращаться друг в друга, было выдвинуто Бруно Понтекорво еще в 1957 году. В пользу этой гипотезы говорил ряд косвенных данных, однако наблюдать превращение нейтрино экспериментально физики не могли.
Чтобы обнаружить это явление, сейчас в мире проводится ряд длительных экспериментов, в том числе и эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus – «проект по изучению нейтринных осцилляций, использующий анализ эмульсионных пленок»).
Детектор OPERA находится в подземной лаборатории Гран-Сассо Национального института ядерной физики Италии. Строительство детектора продолжалось с 2003 по 2008 год, первые результаты работы по выявлению нейтринных осцилляций были получены в 2010 году. Работа экспериментаторов продолжается и сейчас. В проекте OPERA работает больше сотни ученых, есть среди них и представители России из Института ядерной физики РАН, Научно-исследовательского института ядерной физики имени Д. Скобельцына МГУ, Физического института имени П. Лебедева РАН и Объединенного института ядерных исследований в Дубне.
Пучок мюонных нейтрино для эксперимента ученые получают на протонном суперсинхротроне ЦЕРНа в Женеве. За три миллисекунды частицы проходят под землей путь в 732 километра до лаборатории Гран-Сассо. Там на детекторе определяют, нет ли среди них тау-нейтрино. Для этого детектор выявляет тау-лептоны, которые, по расчету, должны появиться из-за взаимодействия нейтрино с мишенью. Детектор состоит из 150 тысяч так называемых «кирпичей» – стопок из 57 свинцовых пластин, покрытых слоями эмульсии. Каждый «кирпич» весит восемь килограммов, общий вес детектора 1300 тонн. Ядра атомов свинца при взаимодействии с нейтрино испускают лептоны, которые оставляют след на чувствительной эмульсии. Так как в эксперименте используется пучок мюонных нейтрино, то выделяются мюоны. Но в случае, если происходит нейтринная осцилляция, и мюонное нейтрино превращается в тау-нейтрино, то из атомного ядра вылетит не мюон, а тау-лептон. Мюоны и тау-лептоны можно отличить по следу на эмульсионной пленке.
Поскольку общая поверхность детектора составляет 110 тысяч квадратных метров, исследователи создали автоматизированную систему для поиска микроскопических полос на эмульсионной пленке, которые и представляют собой след тау-лептонов. Тау-лептон живет всего одну триллионную долю секунды, а затем распадается на другие частицы. «Хотя он летит со скоростью света, его путь составляет менее миллиметра», – говорит представитель OPERA физик Джованни Де Леллис (Giovanni De Lellis) из Университета Неаполя.
Если вспомнить, что нейтрино вообще очень неохотно взаимодействуют с веществом, становится понятно, что ожидать результатов эксперимента приходится долго. Первый случай обнаружения тау-нейтрино детектором OPERA произошел в 2010 году. Само событие произошло несколько раньше. Скорость обработки данных несколько отстает от их получения. В марте 2010 года ученые успели проанализировать результаты работы детектора лишь за 2008 и часть 2009 года. На тот момент эмульсия зафиксировала примерно шесть тысяч следов мюонов и только один тау-лептон.
В прошлом году в журнале Progress of Theoretical and Experimental Physics сотрудники OPERA опубликовали статью, где описывалось уже четыре случая наблюдения тау-лептонов. Теперь же Джованни Де Леллис сообщил о пятом наблюдении. Физик полагает, что после этого можно считать эксперимент успешным.
За последнее время были получены подтверждения нейтринных осцилляций и от других ученых. Например, в июле 2013 года в Японии в эксперимент T2K обнаружили появление электронного нейтрино в пучке мюонных. Об этом рассказывает статья, опубликованная в журнале Physical Review Letters. Данный эксперимент устроен похоже на эксперимент OPERA, нейтрино в нем проходят под землей путь в 295 километров от ускорителя в городе Токаи до детектора в городе Камиока.
