Группа NOvA сообщила о надежном доказательстве существования осцилляций антинейтрино: начиная с февраля 2017 года, дальний детектор эксперимента зарегистрировал 18 событий, отвечающих электронным антинейтрино, тогда как при отсутствии осцилляций таких событий было бы всего пять. Об полученных результатах физики рассказали на конференции Neutrino 2018, кратко об их работе сообщает пресс-релиз организации.

Как правило, когда физики говорят о нейтрино, они разделяют их на три поколения, которым отвечают различные значения флейворного лептонного числа, — на электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это так называемые флейворные состояния. Именно в таком виде нейтрино участвуют в электрослабых взаимодействиях — например, в бета-распаде ядер радиоактивных элементов или в термоядерном синтезе на Солнце. Тем не менее, такой способ описания нейтрино не совсем корректен, поскольку он неправильно описывает поведение свободных нейтрино и не позволяет приписать им массу. Вместо этого оказывается, что в действительности каждое из флейворных состояний раскладывается в сумму трех состояний, имеющих вполне определенные, но различные массы. Эти состояния называются массовыми; в отличие от флейворных состояний, различные массовые состояния не имеют специальных названий и просто нумеруются цифрами. Именно благодаря такому представлению можно объяснить осцилляции нейтрино, за открытие которых в 2015 году Такааки Кадзите и Артуру МакДональду присудили Нобелевскую премию по физике.

Фотография ближнего детектора NOvA. Fermilab

Соотношение между флейворными и массовыми состояниями в физике нейтрино описывается матрицей Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (сокращенно PMNS), аналогичной СКМ-матрице из теории слабых взаимодействий. Просто и наглядно про СКМ-матрицу рассказывается в статье Игоря Иванова, посвященной Нобелевской премии 2008 года. Для удобства физики разделяют вклады в PMNS-матрицу, которые возникают из-за смешивания двух различных массовых состояний, и параметризуют их с помощью углов смешивания, определяющих углы между осями координат в массовой и флейворной «системах отсчета». Кроме того, еще один параметр описывает превращения нейтрино в антинейтрино и равен нулю только в том случае, если нейтрино являются чисто дираковскими частицами. Если же это не так, нейтрино и антинейтрино будут вести себя немного по-разному. Соответственно, чтобы проверить это утверждение, необходимо собрать экспериментальные данные по осцилляциям не только нейтрино, но и антинейтрино.

Геометрический смысл углов смешивания. Состояние нейтрино можно рассматривать в «лептонных координатах» и «массовых кординатах». Stephen F King et al. / REPORTS ON PROGRESS IN PHYSICS, 2013

Именно с целью такой проверки был построен детектор NOvA. Источником нейтрино и антинейтрино в нем служат столкновения протонных пучков с углеродной мишенью в главном инжекторе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб). Вообще говоря, эксперимент NOvA состоит из двух детекторов, один из которых находится вблизи от главного инжектора, а другой — в 810 километрах от него, в шахте Судан в Национальном парке Минессоты. Каждый из детекторов состоит из пластиковых ячеек размером примерно 4 сантиметра × 6 сантиметров × 16 метров, заполненных жидким сцинтиллятором. Когда нейтрино или антинейтрино сталкивается с молекулами сцинтиллятора, в нем возникает вспышка света, которая регистрируется лавинным фотодиодом. По характерному профилю вспышки, сопровождающей событие, можно восстановить тип и энергию нейтрино, которое ее вызвало. Ближний детектор состоит из 186 ячеек и имеет массу менее 300 тонн, тогда как дальний детектор включает в себя более 344 тысяч ячеек и имеет массу около 14 тысяч тонн.

Фотография дальнего детектора NOvA. Fermilab

Новую сессию измерений ученые начали в феврале 2017 года. Если бы осцилляций между мюонными и электронными антинейтрино не было, ученые зарегистрировали бы всего пять событий, отвечающих взаимодействию антинейтрино с веществом ячеек дальнего детектора. В действительности же таких событий оказалось 18. Таким образом, результаты измерений надежно подтвердили существование осцилляций антинейтрино. Стоит отметить, что ранее осцилляции антинейтрино в прямых экспериментах не наблюдались. В дальнейшем ученым предстоит собрать больше статистики и сравнить параметры осцилляций антинейтрино с параметрами осцилляций нейтрино, измеренных ранее. Эксперимент NOvA — не единственный эксперимент по исследованию нейтрино, рождающихся в главном инжекторе Фермилаба, одновременно с ним работают детекторы MINOS, MINERvA и MiniBooNE. Ранее мы уже писали о результатах работы этих экспериментов — например, о подтверждении нормальной иерархии масс нейтрино (то есть того факта, что электронные нейтрино легче мюонных) или проверке нарушений равенств Леггетта-Гарга, доказывающей нелокальность законов природы. Кроме того, недавно физики из группы MiniBooNE впервые измерили параметры нейтрино с точно известной энергией, которые рождаются в результате распада покоящихся каонов; для этого ученые использовали временну́ю задержку между потоками нейтрино, которые рождаются непосредственно в мишени и в поглотителе.

Автор: Дмитрий Трунин