Діючі лиця
Осцилюють нейтрино ось чому. Нейтрино певного сорту, наприклад електронне, не має фіксованої маси. Воно є суперпозицією нейтронних станів з певними, і причому різними, масами: ν1. ν2. ν3. Мюонне нейтрино - це теж квантова суперпозиція тих же ν1. ν2. і ν3. але тільки це вже інша суперпозиція. Народжуватися в реакціях з елементарними частинками можуть нейтрино певного сорту. а поширюватися в просторі можуть нейтрино певної маси. Коли народжується чисте електронне нейтрино, три його масових компонента дуже чітко синхронізовані один з одним. Але в міру руху ця балансування збивається, і чисте електронне нейтрино набуває деяку частку «мюонності». Все це - чистий квантовий ефект у всій своїй красі, демонстрація квантової механіки на кілометрових масштабах.
Мал. 1. Ілюстрація перетворення на льоту нейтрино мюонного сорти в електронне нейтрино, а потім назад в мюонне. Малюнок з сайту physicsworld.com
Друга група дійових осіб - це Сонце, Земля і її атмосфера, тобто ті місця, де нейтрино народжуються. Є величезний потік нейтрино, що вилітають з центру Сонця, з області протікання реакцій термоядерного синтезу. Є також великий потік нейтрино, що народжуються в атмосфері при бомбардуванні Землі космічними променями. Обидва потоки добре вимірюються в нейтронних детекторах, і обидва, в кінці XX століття, сильно розходилися з теоретичними передбаченнями. Ці дві нейтрино аномалії, сонячна і атмосферна, стали тоді джерелом постійного головного болю для фізиків.
І нарешті, головні актори - дві колаборації, Super-Kamiokande в Японії і SNO (Sudbury Neutrino Observatory) в Канаді, два колективи фізиків-експериментаторів, які вперше беззастережно довели реальність нейтронних осциляцій і елегантним рухом дозволили обидві нейтринні загадки. Підкреслимо, що присудження премії керівникам і натхненників цих колективів, Такаакі Кадзия (Takaaki Kajita) і Артуру Макдональд (Arthur B. McDonald), - це данина нобелівської традиції; реальна ж наукова заслуга, зазначена цією премією, належить колаборації цілком.
Арена дій
Акт перший: проблема з атмосферними нейтрино
Землю постійно бомбардує потік космічних променів різних енергій, в основному протонів (рис. 2). Стикаючись з ядрами молекул високо в атмосфері, вони породжують потоки вторинних частинок, в тому числі пі-мезони. Якщо пі-мезон по шляху не встромився в інше ядро, то він, в свою чергу, розпадається на мюон і мюонне ж антинейтрино. Далі мюон розпадається на електрон, мюонне нейтрино, і електронне антинейтрино. В результаті цього ланцюжка розпадів до Землі долітають нейтрино в співвідношенні νμ: νe = 2: 1. (Уточнимо: потік атмосферних нейтрино має на увазі сумарний потік нейтрино і антинейтрино.)
Це злегка ідеалізована ситуація; вона передбачає, що мюони встигають розпастися до зіткнення із Землею. Це так для мюонів досить низької енергії, нижче 1 ГеВ. У більш високоенергетичних мюонів розпад настільки сповільнюється, що вони встигають досягти Землі і там провзаємодіяти. Тоді вже вони не справлять нейтринну пару, а значить, співвідношення νμ: νe в середньому зросте ще більше. Однак починаючи з 1980-х років експерименти показували співвідношення істотно менше заповітної двійки - і в цьому і полягала загадка.
У 1983 році в Японії був запущений експеримент Kamiokande, первісною метою якого був пошук розпаду протона. Детектор представляє собою велику підземну цистерну, розташовану в старій шахті всередині гори і заповнену надчистої водою. Внутрішні стінки детектора суцільно вкриті чутливими фотоумножителями, які реєструють світловий спалах від якоїсь події всередині робочої речовини. Досить енергетичне нейтрино електронного або мюонного сорти, стикаючись з атомним ядром, перетворюється в електрон або мюон, який летить вперед з великою швидкістю і випромінює світло за рахунок ефекту Вавилова-Черенкова. Завдяки цьому, детектор не тільки виявляє нейтрино, а й визначає його сорт, енергію і напрямок прильоту - і це вигідно відрізняє його від більш простих накопичувальних експериментів, які просто підраховували нейтрино. Правда, такий спосіб реєстрації спрацьовує тільки при енергіях вище приблизно сотні МеВ, але для атмосферних нейтрино досягти таких енергій - не проблема.
Треба ще сказати, що, оскільки Земля для нейтрино прозора, вони можуть прилітати звідусіль, в тому числі і з протилежного боку Землі, а не тільки з атмосфери прямо над детектором. Вимірюючи напрямок прильоту нейтрино, можна дізнатися, де воно народилося. Тому дослідники можуть будувати розподілу не тільки по енергії, а й по куту прильоту нейтрино.
Мал. 4. Слайд з презентації Такаакі Кадзіти з явною вказівкою на те, що нейтрино осцилюють. Зображення з сайту symmetrymagazine.org
Для електронних нейтрино такої закономірності не спостерігалося (рис. 5). Якби не було осциляцій, потоки знизу і зверху були б приблизно рівні. «Зникнення» далеких мюонних нейтрино означає, що на своєму тисячокілометровому шляху до детектора суттєва їх частина встигла перетворитися в інші нейтрино. Більш того, навіть зрозуміло в які: це не електронні нейтрино, оскільки їх потік практично не змінився; значить, це тау-нейтрино, які детектор не відслідковуються.
Мал. 5. Потоки електронних і мюонних нейтрино низьких і високих енергій, які прийшли з різних напрямків. Кут θ відраховується від зеніту; значення cos θ = 1 відповідає нейтрино, що йде зверху вниз, cos θ = -1 - що йде від низу до верху, cos θ = 0 - йде горизонтально. Блакитні смужки показують очікуваний потік в припущенні, що нейтрино НЕ осцилюють, червона гістограма - потік з урахуванням осциляції. Графік зі статті Neutrino oscillations, підготовленої на замовлення Нобелівського комітету фізичним відділенням Шведської академії наук
Треба додати, що всі ці початкові свідчення на користь нейтронних осциляцій були отримані в «експериментах по зникненню». Це експерименти такого типу, коли ми вимірюємо потік, бачимо, що він слабший, ніж очікувалося, і здогадуємося, що шукані нейтрино перетворилися в інший сорт. Для більшої переконливості потрібно той же процес побачити і безпосередньо, через «експеримент по виникненню» нейтрино. Такі експерименти зараз теж ведуться, і їх результати узгоджуються з експериментами по зникненню. Наприклад, в ЦЕРНі є спеціальна прискорювальна лінія, яка «стріляє» потужним пучком мюонних нейтрино в напрямку італійської лабораторії Гран-Сассо, що знаходиться за 732 км від неї. Встановлений в Італії детектор OPERA шукає в цьому потоці тау-нейтрино. За п'ять років роботи OPERA зловила вже п'ять тау-нейтрино, так що це остаточно доводить реальність виявлених раніше осциляцій.
Акт другий: сонячна аномалія
Друга загадка нейтринної фізики, вимагала дозволу, стосувалася сонячних нейтрино. Нейтрино народжуються в центрі Сонця в ході термоядерного синтезу, вони супроводжують ті реакції, за рахунок яких Сонце і світить. Завдяки сучасній астрофізиці ми добре знаємо, що повинно відбуватися в центрі Сонця, а значить, можемо обчислити темп виробництва там нейтрино і їх потік, що потрапляє на Землю. Вимірявши цей потік в експерименті (рис. 6), ми тим самим зможемо вперше зазирнути прямо в центр Сонця і перевірити, наскільки добре ми розуміємо його пристрій і роботу.
Мал. 6. Потік сонячних нейтрино, виражений в сонячних нейтрино одиницях, за результатами експерименту Homestake. Червоний пунктир показує передбачення сонячної стандартної моделі. Зображення з сайту lappweb.in2p3.fr
Впевненість в тому, що детектор працює правильно, була настільки велика, що багато фізиків схилялися до того, що астрофізичні теоретичні передбачення десь дають збій - аж надто складні процеси йдуть в центрі Сонця. Однак астрофізики уточнювали модель і наполягали на надійності прогнозів. Таким чином, проблема не зникала і вимагала пояснення.
Звичайно, і тут теоретики вже давно думали про нейтронних осциляція. Передбачалося, що на шляху з сонячних надр частина електронних нейтрино перетворюється в мюонні або тау. А оскільки експерименти типу Homestake і GALLEX в силу свого пристрою ловлять виключно електронні нейтрино, то вони їх і недолічуються. Більш того, в 70-80-х роках теоретики передбачили, що нейтрино, що розповсюджується всередині Сонця, має осциллировать злегка інакше, ніж у вакуумі (це явище отримало назву ефекту Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна), що теж могло б допомогти з поясненням сонячної аномалії .
Щоб вирішити проблему сонячних нейтрино, потрібно зробити просту, здавалося б, річ: побудувати такий детектор, який зміг би вловлювати повний потік всіх типів нейтрино, а також, окремо, потік нейтрино електронних. Саме тоді можна буде переконатися, що нейтрино, вироблені всередині Сонця, не зникають, а просто змінюють свій сорт. Але через малість енергії нейтрино це було проблематично: адже вони не можуть перетворитися в мюон або тау-лептон. Значить, шукати їх треба якось інакше.
Детектор Super-Kamiokande спробував впоратися з цим завданням, використовуючи пружне розсіяння нейтрино на електронах атома і реєструючи ту віддачу, яку отримує електрон. Такий процес, в принципі, чутливий до нейтрино всіх сортів, але через особливості слабкої взаємодії переважний внесок у нього дає електронне нейтрино. Тому чутливість до повного нейтрино потоку виявилася слабкою.
І ось тут вирішальне слово сказав інший нейтринний детектор, SNO. У ньому, на відміну від Super-Kamiokande, використовувалася не звичайна, а важка вода, що містить дейтерій. Ядро дейтерію - дейтрон - це слабо пов'язана система протона і нейтрона. Від удару нейтрино з енергією декілька МеВ дейтрон може розвалитися на протон і нейтрон: ν + d → ν + p + n. Такий процес, викликаний нейтральної компонентою слабкої взаємодії (переносник - Z-бозон), має однакову чутливість до нейтрино всіх трьох типів, а реєструється він легко по захопленню нейтрона ядрами дейтерію і висвічення гамма-кванта. Крім того, SNO окремо може реєструвати і чисто електронні нейтрино з розщеплення дейтрона на два протона, ν e + d → e + p + p. яке відбувається за рахунок зарядженої компоненти слабких взаємодій (переносник - W-бозон).
Мал. 7. Потоки електронних (по горизонталі) і мюонних плюс тау-нейтрино (по вертикалі), що йдуть від Сонця. Сіра смуга - результат Super-Kamiоkande, кольорові смуги - результати експерименту SNO, отримані різними способами. Смуга, обмежена пунктиром. - передбачення сонячної моделі. Позначення: CC - заряджена частина слабких взаємодій, NC - нейтральна частина, ES - пружне розсіяння на електронах. Графік зі статті Neutrino oscillations, підготовленої на замовлення Нобелівського комітету фізичним відділенням Шведської академії наук
Акт третій, що триває
Тоді, на рубежі століть, проводилися і інші нейтринні експерименти. І хоча фізики давно підозрювали, що нейтрино осцилюють, саме Super-Kamiokande і SNO представили неспростовні аргументи - в цьому їх наукова заслуга. Після їх результатів в нейтринної фізики якось разом стався фазовий перехід: мучили всіх проблеми зникли, а осциляції стали фактом, предметом експериментальних досліджень, а не тільки теоретичних міркувань. Нейтрино фізика пройшла через стадію вибухового зростання, і зараз це одна з найактивніших областей фізики елементарних частинок. У ній відбуваються регулярно нові відкриття, по всьому світу запускаються нові експериментальні установки - детектори атмосферних, космічних, реакторних, прискорювальних нейтрино, - а тисячі теоретиків намагаються знайти в виміряних параметрах нейтрино натяки на Нову фізику.
Не виключено, що рано чи пізно вдасться саме в такому пошуку намацати якусь теорію, яка прийде на зміну Стандартної моделі, зв'яже воєдино кілька спостережень і дозволить природним способом пояснити і нейтрино маси і осциляції, і темну матерію, і походження асиметрії між речовиною і антиречовиною в нашому світі, і інші загадки. Те, що нейтринний сектор став ключовим гравцем цього пошуку, - багато в чому заслуга Super-Kamiokande і SNO.