Все о нейтрино. Новые исследования точнее данных 2014-го года в два раза

Предыдущие результаты измерения параметров нейтрино в эксперименте Daya Bay, опубликованные в начале 2014 года, были наиболее точными в мире. Новые результаты, использующие данные за 217 дней при шести активных детекторах и за 404 дня (с октября 2012 по ноябрь 2013 года) при всех восьми работающих детекторах, обладают, по крайней мере, в два раза лучшей точностью. Они опубликованы в Physical Review Letters. 

 Нейтрино известны своим слабым взаимодействием с веществом. Они могут пройти сквозь Солнце или Землю, не вступив во взаимодействие   ни с одним атомом вещества. Более того, они так могут пройти через миллиард солнц. С одной стороны это затрудняет их регистрацию, а с другой – делает источником важнейшей информации об эволюции вселенной и процессах происходящих внутри звезд. Физики полагают, что нейтрино могут играть ключевую роль в объяснении асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Эта асимметрия заключается в том, что после Большого Взрыва не произошло полной взаимной аннигиляции материи и антиматерии, а часть материи все же осталась и сформировала Вселенную такой, какой мы видим ее сегодня. 

В эксперименте Daya Bay изучаются нейтринные осцилляции – изменение типа нейтрино по мере их движения от источника до детектора. Эти исследования позволяют определить два ключевых параметра нейтринной физики — «угол смешивания нейтрино» и «разность квадратов нейтринных масс».

В настоящее время известно о трех типах нейтрино, каждый из которых всегда рождается вместе с соответствующим лептоном – электроном, мюоном или тау-лептоном. В соответствие с этим, каждому нейтрино приписывается свое квантовое число – аромат (или «флэйвор»). Первые эксперименты указывали на то, что тип (аромат) нейтрино сохраняется. Но по мере проведения новых экспериментов появились сомнения в этом. Некоторые эксперименты регистрировали меньшее число нейтрино, чем ожидали согласно теоретическим вычислениям. Первым таким фактом был дефицит числа электронных нейтрино, летящих от Солнца, который был обнаружен еще в 1970-х годах.

Для объяснения этого было выдвинуто пара десятков предположений, из которых победила гипотеза так называемых нейтринных осцилляций. В ней предполагалось, что электронные нейтрино на пути от Солнца превращались в другие типы нейтрино. Интересно, что идею нейтринных осцилляций высказал в свое время академик Бруно Понтекорво, работавший в ОИЯИ. Серьезно об осцилляциях нейтрино заговорили во второй половине 1990-х годов.

В соответствии с этой гипотезой, в пучке, состоящем изначально только из электронных нейтрино, по мере распространения появляется примесь мюонных и тау-нейтрино с одновременным уменьшением доли электронных. Вероятность появления этой примеси зависит периодическим образом от расстояния между источником и детектором.

По современным представлениям причина этого в том, что электронное, мюонное и тау-нейтрино являются квантовой смесью трех состояний, каждое из которых входит со своей долей. Эти доли удобно выражать математически через углы смешивания. Можно сказать, что электронное, мюонное и тау-нейтрино состоят из трех волн, каждая из которых колеблется со своей частотой и амплитудой. Поэтому, если в начальный момент времени сумма этих волн выглядела как электронное нейтрино, то через некоторое время эти волны сложатся так, что появляется примесь мюонного и тау-нейтрино, что и измеряют экспериментаторы как дефицит в числе электронных нейтрино.

Именно в эксперименте Daya Bay был в 2012 измерен последний из трех углов смешивания, что выдвинуло его на ведущие роли в мире. После этого лаборатория перешла к реализации следующего этапа эксперимента, ведь вопросы в нейтринной физике еще есть, например, проблема иерархии масс нейтрино (состояний). Очень интересными являются поиски «стерильного» нейтрино — гипотетической частицы, которая может смешиваться с тремя известными типами нейтрино. Если они будут обнаружены, ученым придется пересмотреть трех-нейтринную модель осцилляций, а также Стандартную модель, которая в настоящее время описывает взаимодействия элементарных частиц.

Для этого необходимо значительно повысить точность измерением. Сейчас сделан первый шаг на этом пути. К концу 2017 года в распоряжении коллаборации будет, по крайней мере, в четыре раза больше данных, которые позволят еще больше улучшить точность измерений. Окончательные результаты ожидаются к 2023-25 году.

Эксперимент проводится в Китае в районе под названием Дая Бэй, расположенном на расстоянии 55 километров на северо-востоке от Гонконга. Здесь поблизости расположены три ядерных реакторных комплекса – Daya Bay, Ling Ao и Ling Ao 2 (шесть реакторов), непрерывно обеспечивающих поток электронных антинейтрино, рождающихся в ядерных реакциях. Это позволяет не строить специальный источник нейтрино. Для исследования нейтрино используются восемь детекторов, погруженных в три больших подземных бассейна с водой и находящихся на разных расстояниях от этих реакторов. Коллаборация Daya Bay состоит из более двухсот ученых из семи стран, в том числе и России.