Сегодня было объявлено, что лауреатами Нобелевской премии по физике 2015 года стали двое ученых, занимающихся исследованием нейтрино: Такааки Кадзита из Токийского университета и Артур Макдоналд из Университета Квинс в канадской провинции Онтарио. Оба ученых возглавляют масштабные эксперименты по обнаружению нейтринных осцилляций.
С нейтрино трудно иметь дело. Эти частицы почти не взаимодействуют с веществом. Через каждого из нас в секунду пролетает около 500 триллионов нейтрино, но ни с нами, ни с нейтрино при этом ничего не происходит. Изначально с нейтрино имели дело только физики-теоретики. Вольфганг Паули, предположивший в 1930 году наличие этой частицы, чтобы объяснить сохранение энергии при бета-распаде, признавался, что совершил ужасный поступок – предположил наличие частицы, которую нельзя обнаружить. Лишь в 1956 году американские физики Фредерик Райнес и Клайд Коуэн впервые сумели получить след нейтрино на детекторе.
В тех редких случаях, когда нейтрино все-таки взаимодействует с веществом, после столкновения их с протонами и нейтронами могут возникать три типа частиц: электроны, мюоны или тау-лептоны. Поэтому нейтрино разделяются на три типа, соответственно, электронное, мюонное и тау-нейтрино. В 1957 году Бруно Понтекорво в «Журнале экспериментальной и теоретической физики» опубликовал статью, где предположил, что нейтрино разных типов могут превращаться друг в друга (осциллировать). Это теоретическое предположение было весьма интересным, так как для существования нейтринных осцилляций было необходимо наличие у этой частицы ненулевой массы, в чем многие физики-теоретики тогда сомневались. Со временем появлялось все больше косвенных данных в пользу нейтринных осцилляций, а затем стали давать первые результаты долговременные эксперименты, направленные на их поиск. То, что эти эксперименты в свое время были начаты, заслуга отца нейтринной астрономии Раймонда Дэвиса, который после многолетних усилий впервые сумел зарегистрировать нейтрино, образовавшиеся в ходе ядерных реакций на Солнце (Нобелевская премия по физике 2005 года).
Совсем недавно об успешном обнаружении нейтринных осцилляций объявили физики, работающие в международном проекте OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus – «проект по изучению нейтринных осцилляций, использующий анализ эмульсионных пленок»). Об этом мы рассказывали в специальном очерке «Метаморфозы нейтрино». Но в том случае поток нейтрино для эксперимента генерировался на протонном суперсинхротроне ЦЕРНа в Женеве. Нейтрино проходили под землей более 700 километров до расположенного в Италии детектора, где и искались следы осцилляций. Сегодняшние лауреаты занимались поиском осцилляций в «естественных» потоках нейтрино, которые летят к нам от Солнца или образуются при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов в атмосфере.
Артур Макдоналд руководит нейтринной обсерваторией в канадском городе Сандбери. Детектор там был сооружен в 1999 году и работал до 2006 года, когда он был остановлен и начаты работы по переоборудованию его для нового нейтринного эксперимента (они еще продолжаются). Нейтринный детектор в Сандбери представляет собой акриловую сферу толщиной 5,5 см и диаметром 12 метров, содержащую 1000 тонн тяжелой воды. Сфера окружена 9600 фотоэлектронными умножителями.
Схема детектора в Сандбери
Строительство детектора
Нейтринная обсерватория в Сандбери была нацелена на исследование солнечных нейтрино, которые задали физикам дополнительную загадку. Дело в том, что после того, как Дэвис научился регистрировать солнечные нейтрино на Земле, все измерения показывали, что количество обнаруженных электронных нейтрино (а Солнце производит именно такие) примерно в три раза меньше, чем предполагалось, исходя из представлений о процессах, которые происходят на Солнце. Теоретики предлагали два решения «проблемы солнечных нейтрино». Одни считали, что используемая модель солнечных ядерных реакций несовершенна, и ее надо изменить так, чтобы она согласовывалась с данными измерений. Другие предполагали, что в ходе нейтринных осцилляций по пути от Солнца до Земли электронные нейтрино превращаются в нейтрино других типов, которые тогда на Земле еще не умели регистрировать. Макдональду и его сотрудникам в Сандбери удалось обнаружить в потоке солнечных нейтрино все три типа нейтрино, что стало важным аргументом в пользу второго решения. Общее количество нейтрино трех типов оказалось соответствующим теоретическим ожиданиям.
Эксперимент в Нейтринной обсерватории в Сандбери
Работа Такааки Кадзита была связана с атмосферными нейтрино. Он возглавляет исследования на нейтринном детекторе Super-Kamiokande, построенном в городе Камиока. Все устройства для регистрации нейтрино весьма масштабны, но Super-Kamiokande выделяется даже на их фоне. Он представляет собой цилиндрическую конструкцию 41,4 м в высоту и 39,3 м в диаметре, где содержится 50000 тонн воды в окружении примерно 11200 фотоэлектронных умножителей. Располагается он в шахте, где когда-то добывали цинковую руду.
Детектор Super-Kamiokande
Когда нейтрино сталкиваются с атомными ядрами в воде, выделяются мюоны или электроны, которые по черенковскому излучению регистрируются фотоэлектронными умножителями, черенковское излучение позволяет различать в частности электронные и мюонные нейтрино. При помощи этого детектора Такааки Кадзита в 1998 году подтвердил осцилляцию у атмосферных нейтрино.
Схема эксперимента Super-Kamiokande
По теоретической модели поток мюонных нейтрино должен быть в два раза больше электронных (после столкновения нейтрино с протом в воздухе в результате последовательных реакций получаются два мюонных и одно электронное нейтрино). Но эксперимент показал, что эти потоки равны. Когда физики сравнили количество нейтрино разных типов среди тех, что попадают в детектор сверху, и тех, что прилетают снизу, предварительно пройдя через земной шар, то выяснилось, что недостаток мюонных нейтрино есть именно среди второй группы. То есть, когда у нейтрино есть дополнительное время, оно может успеть осциллировать и превратиться в нейтрино другого типа.
