Потоки нейтрино пронизывают нас непрерывно, но эти частицы столь слабо взаимодействуют с остальной материей, что, чтобы их обнаружить, ученым приходится строить огромные сооружения. Например, нейтринная обсерватория «Ледяной куб» вблизи южного полюса представляет собой кубический километр льда с пятью тысячами детекторов, а мишень галлий-германиевого нейтринного телескопа в Баксанской нейтринной обсерватории в Кабардино-Балкарии весит 60 тонн. Теперь же международный коллектив ученых сумел создать нейтринные детекторы небольшого размера, весящие всего около 15 килограммов, и наблюдать с их помощью столкновения нейтрино с ядрами атомов цезия.
Уже много лет ученым известно о существовании трех типов нейтрино: электронного, мюонного и тау-нейтрино. Различие между ними проявляется в тех редких случаях, когда нейтрино вступает во взаимодействие с ядрами атомов. Например, когда мюонное нейтрино сталкивается с нейтроном в атомном ядре, оно превращает его в протон, а само становится мюоном. При столкновениях с ядрами электронных и тау-нейтрино рождаются соответственно электроны и тау-лептоны. Именно эти три типа возникающих частиц и регистрируются датчиками и выдают присутствие нейтрино.
В 1974 году физик-теоретик Даниэль Фридман (Daniel Z. Freedman), ныне почетный профессор Массачусетского технологического института, обосновал существование еще одного типа взаимодействия нейтрино с атомными ядрами, который он назвал когерентным упругим рассеянием. Фридман предположил, что, как и любая квантовая частица, нейтрино действует как волна, длина которой уменьшается по мере увеличения энергии частицы. Нейтрино высокой энергии будет взаимодействовать с одним протоном или нейтроном в атомном ядре. Низкоэнергетическое нейтрино сможет взаимодействовать со всеми протонами и нейтронами согласованно (когерентно). В данном случае нейтрино взаимодействует с протонами и нейтронами ядра, обмениваясь с ними Z-бозонами, и в результате оно, не превращаясь ни во что, отскакивает от ядра, а самое ядро получает импульс. Вероятность такого отскока нейтрино от атомного ядра, увеличивается пропорционально квадрату числа протонов и нейтронов в ядре.
Убежденный в своей правоте Фридман тем не менее не верил, что предсказанное ими взаимодействие нейтрино с ядрами можно будет обнаружить на практике. Слишком редкое это событие и слишком слабый импульс получает от низкоэнергетического нейтрино атомное ядро, чтобы такой импульс можно было отличить от случайных колебаний. «Это похоже на удар по шару для боулинга мячиком для пинг-понга, – говорит физик Кейт Шольберг (Kate Scholberg) из Университета Дьюка, одна из авторов нынешнего исследования. – Вы легко можете попасть по шару для боулинга, но он не будет очень быстро катиться».
Своим скептицизмом Фридман напоминает Вольфганга Паули, предположившего в 1930 году существование нейтрино из теоретических соображений и не верившего, что его гипотезу удастся подтвердить экспериментально. Скептицизм Паули рассеялся спустя 25 лет, когда в 1955 году Клайд Коуэн и Фредерик Райнес с коллегами смогли детектировать нейтрино. Фридман получил практические доказательства правильности своей теории через 43 года после ее создания.
Детектор на основе упругого рассеяния нейтрино был создан физиками из России (Институт теоретической и экспериментальной физики, МИФИ, МФТИ), США, Канады и Южной Кореи. Всего в коллаборацию COHERENT, осуществившую этот эксперимент, входит более восьмидесяти ученых. Они не стали стараться максимально увеличить размеры детектора, а напротив уменьшили его, использовав для мишени не тяжелые металлы, а цезий, колебания ядер которого легче наблюдать. В результате они сконструировали детектор из йодида цезия легированного натрием (CsI[Na]) весом всего 14,6 килограмма.
Фото: Juan Collar
Вторым условием успеха стало использование источника нейтрино с повышенной интенсивностью потока. В этом качестве выступил Spallation Neutron Source в Национальной лаборатории Оук-Ридж министерства энергетики США. Несколько десятков детекторов поместили рядом с источником нейтронов под защитой изоляционного слоя из бетона, который не пропускал к ним порождаемые реактором нейтроны, зато нейтрино – побочный продукт работы реактора – проникали через эту защиту без препятствий. Энергия этих нейтрино была достаточно низкой для упругого рассеяния на ядрах атомов, но достаточно высокой, чтобы импульсы, которые они сообщают ядрам, можно был зафиксировать.
В длившемся 461 день эксперименте ученые наблюдали 134 рассеяния, что хорошо согласуется с предсказаниями теории. Об итогах своей работы коллектив сообщил в статье, опубликованной журналом Science.
Возможно, в ближайшем будущем будут сконструированы портативные детекторы нейтрино, реагирующие на упругое рассеяние. Они найдут применение в контроле за безопасной работой атомных реакторов. По потоку рождающихся в реакторе нейтрино можно судить о процессах, которые происходят внутри него, и даже определять, используется ли данный реактор для производства оружейного плутония.
