Н. А. Брюханова

Нейтрино

Введение

    Нейтрино − фундаментальные частицы, лептоны, не имеющие заряда и обладающие крайне малой массой. Изучение этих частиц  является одним из важных направлений в физике, поскольку дает возможность обнаружить эффекты, находящиеся за пределами стандартной модели.

Нейтрино как фундаментальная частица

Рис. 1. Спектры электронов и нейтрино

    Появление такого объекта, как нейтрино, в физике частиц, неразрывно связано с явлением бета-распада. Этот распад обладает известной особенностью − непрерывным спектром энергий электронов, что невозможно при двухчастичном распаде. Единственным способом устранить противоречие с законами сохранения было введение новой частицы, обладавшей малой массой и нейтрально заряженной. Нейтрино впервые предложил Паули, и сразу указал, что регистрация подобной частицы окажется весьма трудной задачей.

Это оказалось правдой − изучение нейтрино потребовало специфических технических решений. Однако в итоге оно было изучено достаточно подробно. В частности, стало понятно, что нейтрино не является истинно нейтральной частицей, и существует явная разница между нейтрино и антинейтрино. Это привело к некоторым затруднениям в начале истории их регистрации. Так же не менее существенной особенностью является существование трех типов нейтрино, соответствующих трем заряженным лептонам − электрону, мюону и таону. Закон сохранения лептонного заряда считается достаточно важным законом сохранения, а его нарушение приведет к выходу за рамки стандартной модели. В частности, поэтому и ведутся многочисленные исследования в этой области.

Методы детектирования нейтрино

Рис. 2. Эксперимент в Саванна Ривер

    Первым экспериментом по детектированию нейтрино был эксперимент Ф. Райнеса и К. Коэна в Саванна Ривер (1956 г.) Строго говоря, получены были реакторные антинейтрино, в эксперименте, схема которого показана на рис.2.
    В данном случае используется реакция обратного бета-распада, когда протон взаимодействует с антинейтрино, за счет чего рождаются нейтрон и позитрон.

p + _e →  n + e⁺

    Очевидно, позитрон быстро аннигилирует с электроном, что даст два гамма-кванта, которые можно зарегистрировать. Кроме этого, нейтрон так же возможно зарегистрировать, используя кадмий, который при поглощении нейтрона переходит в возбужденное состояние, что снова вызывает гамма-излучение. С помощью сцинтилляторов и фотоумножителей обе вспышки можно зафиксировать, что и позволило объявить о регистрации
антинейтрино.
    Регистрация нейтрино оказалась сложнее. Поскольку реакция должна была идти на нейтроне, которого в свободном виде не существует, Б.М. Понтекорво был предложен хлор-аргоновый метод, в котором хлор за счет реакции нейтрино с одним из нейтронов превращался в аргон. Обнаружение аргона позволяет говорить о регистрации нейтрино в эксперименте.

ν + ³⁷Cl →  ³⁷Ar + e⁻.

    Именно постановка такого опыта показала, что нейтрино и антинейтрино являются разными частицами, и привела к открытию закона сохранения лептонного заряда. В настоящий момент методы детектирования нейтрино несколько изменились, но радиохимические, наподобие хлор-аргонового, все еще актуальны.

Современные методы изучения нейтрино

    В зависимости от энергий и происхождения, детектирование нейтрино происходит разными способами. Поэтому необходимо иметь представление о том, откуда приходят к нам эти частицы. Надо помнить также основную проблему работы с нейтрино − крайне слабое взаимодействие с веществом.
    Самые многочисленные нейтрино − реликтовые. К сожалению, их энергия крайне мала, и весь этот поток остается нами незамеченным. Далее идут солнечные и геонейтрино − первые вполне поддаются регистрации на многих детекторах, вторые же обыкновенно являются фоном. Следующими по энергиям наблюдаются нейтрино от некоторых астрофизических процессов, ускорителей и реакторов. Еще выше лежат энергии атмосферных нейтрино и нейтрино, испускаемых квазарами. Потоки этих частиц с ростом энергий убывают, что осложняет их детектирование. Некоторым облегчением впрочем может послужить тот факт, что при росте энергий нейтрино растет и их сечение взаимодействия с веществом.

Рис. 3. Энергии различных видов нейтрино

    Методы, применяемые для регистрации нейтрино, очень сильно зависят от их источника. В изучении различных нейтрино космического происхождения одну из ключевых ролей играет черенковское детектирование. Оно требует большого объема детектора, однако хорошо зарекомендовало себя. Принцип работы данного метода следующий: ультрарелятивистское нейтрино в случае взаимодействия с веществом порождает заряженный лептон сверхвысокой энергии. Этот лептон, двигаясь со скоростью, превышающей скорость света в среде, порождает излучение Вавилова-Черенкова, которое возможно зафиксировать фотоумножителями. Этот метод используется в детектировании нейтрино галактического и внегалактического происхождения на так называемых нейтринных телескопах (Байкал, KM3Net, ANTARES, IceCUBE), а также в знаменитых экспериментах по регистрации солнечных нейтрино в Камиоке (Япония), о которых еще будет упомянуто в дальнейшем.
    В изучении реакторных нейтрино на данный момент используют сцинтилляционные детекторы. В них используется захват антинейтрино протоном с рождением позитрона и нейтрона. Подобная реакция использовалась еще в Саванна Ривер, однако на сегодняшний день возможно строить более эффективные и компактные детекторы. Одной из разработок в данном направлении является iDREAM − промышленный детектор реакторных антинейтрино.
    В эксперименте OPERA для фиксации взаимодействий нейтрино используются фотоэмульсии, которые перемежаются слоями низкофонового свинца. Кроме того, дополнительную информацию дают сцинтилляционные детекторы, дополнительные пластины фотоэмульсий, а также детекторы мюонов.

Рис. 4. Спектр солнечных нейтрино и пределы различных методов

    Из перспективных, но нуждающихся в развитии методов можно отметить галлий-германиевый детектор, который имеет более низкий порог регистрации нейтрино по энергии. Идея метода существует довольно давно, и он позволил зафиксировать, к примеру, солнечные нейтрино от водородного цикла. Но, в отличие от хлор-аргонового метода, в галлий-германиевом гораздо острее стоит проблема выделения продукта реакции.  Именно это затрудняет работу детекторов.
    Даже в современных методах регистрации фиксируется довольно малый процент приходящих нейтрино, и это составляет значительную трудность.

Проблема солнечных нейтрино

    В ядерных реакциях на Солнце нейтрино образуются в достаточно большом количестве. Разумеется, это электронные нейтрино. Модели достаточно точно предсказывали поток нейтрино, который должен при этом получаться. Однако, еще в 60-х годах было обнаружено, что этот поток в два-три раза меньше, чем предсказывается так называемой «стандартной солнечной моделью». Конечно, была вероятность, что параметры этой модели попросту неверны, ведь небольшое понижение температуры давало необходимый спад интенсивности реакции.
    Одним из детекторов, наиболее точно измеривших этот недостаток нейтрино, был Super-Kamiokande. За счет того, что этот детектор собрал самую большую статистику по солнечным нейтрино в истории, стало возможным точно указать на данную проблему. Поскольку уменьшение температуры Солнца ведет к некоторым другим проблемам, решение пришло из иной области.

Масса нейтрино. Осцилляции

    Еще в самом начале изучения нейтрино возникал вопрос: действительно ли это − безмассовая частица. Дело в том, что наличие у нейтрино массы повлекло бы за собой ряд достаточно интересных последствий.
    В теории слабых взаимодействий кварков возникает понятие смешивания кварков. Это явление позволяет понять принципы нарушения CP-четности. Еще Б.М. Понтекорво было предложено, что аналогичное явление могло бы происходить с нейтрино. Однако для этого требовалось условие, которое не входит в нынешнюю стандартную модель: наличие у нейтрино массы. В таком случае, массовые состояния, и состояния по аромату будут различаться, и станет возможным регистрировать результат так называемых нейтринных осцилляций.
    В итоге, если даже Солнце покидают исключительно электронные нейтрино, Земли будет достигать уже смешанный поток. С учетом расстояния между Солнцем и Землей, поток электронных нейтрино будет составлять около одной трети. Это вполне согласуется с результатами экспериментов в Камиоке. Поскольку многие эксперименты чувствительны только к одному аромату нейтрино, точно определить остальные компоненты оказывается сложным.
    Наличие массы у нейтрино приводит к еще одной проблеме. Нейтрино и антинейтрино отличаются исключительно своей спиральностью. В случае массивного нейтрино эта разница перестает быть непреодолимой. В итоге, нейтрино может стать майорановским, то есть частица становится тождественной античастице. Наличие у нейтрино массы не дает окончательного ответа, является ли эта частица дираковской или майорановской, однако некоторые исследования могут пролить свет на этот вопрос.

Экспериментальные исследования осцилляций

    Экспериментальное наблюдение осцилляций позволит определить разницу масс нейтрино (и подтвердит их наличие). На данный момент многими признано, что эксперименты в лаборатории SNO зарегистрировали как общий поток нейтрино, так и отдельно поток электронных. Это указывает на то, что от Солнца приходят частицы и других типов. Общий поток при этом хорошо согласовывался с теоретическими предсказаниями.
    Эксперимент OPERA, изучающий пучок ускорительных мюонных нейтрино также зафиксировал несколько событий рождения тау-лептона. К сожалению, точно говорить о надежности этого результата пока сложно, ибо при таком числе событий выводы будут несколько поспешными.
    Эксперименты с регистрацией реакторных и ускорительных нейтрино в разные годы в Камиоке также дают надежду на то, что осцилляции являются реальностью.
    Для более точного наблюдения нейтринных осцилляций предполагается использование более длинной базы прохождения нейтрино. При этом планируется измерять потоки вблизи источника, и на значительном от него расстоянии. Выдвигались даже проекты, в которых пучок нейтрино проходит практически сквозь Землю, однако они сопряжены с серьезными техническими трудностями.
    Астрофизические эксперименты так же пытаются со своей стороны подойти к проблеме нейтринных осцилляций. Основная цель разрабатываемого проекта ORCA − определение, какой из вариантов иерархии масс нейтрино является верным: прямой или обратный. Дело в том, что из осцилляций нам известны разницы масс, однако непонятно, как эти разницы расположены, и между какими ароматами она больше.
    На сегодняшний день одной из важных целей изучения нейтрино является более точная фиксация существования осцилляций.

Измерение массы нейтрино

    Непосредственное измерение массы нейтрино может оказаться связанным с бета-распадом. Дело в том, что поведение спектра бета-распада вблизи верхней границы спектра энергии электрона будет зависеть от того, какова масса нейтрино. Поэтому точные эксперименты по измерению спектра верхней границы энергии бета-распада сейчас проводятся по всему миру. Отличаться будет и поведение графика вблизи границы, и положение этой самой границы. Результатом будет непосредственное определение массы электронного нейтрино.
    Подобные эксперименты чаще всего производят с бета-распадом лития. Первые работы в этой области провел еще Б.М. Понтекорво, в результате чего был установлен первый верхний предел для массы нейтрино. С каждым опытом, все более и более точным, верхняя граница отодвигается все к меньшим значениям масс, но до сих пор достоверного доказательства наличия массы у нейтрино таким способом не было получено.
    Оценки для масс других типов нейтрино так же возможно получить из кинематических соображений в некоторых реакциях. Распад пиона, к примеру, позволяет наложить ограничение на массу мюонного нейтрино, а распад собственно тау-лептона позволил проанализировать соответствующее нейтрино. Однако все эти результаты являются только ограничением сверху, и пока что таким образом сложно судить о массе изучаемой частицы. Ясно только, что она крайне мала.
    На данный момент известны следующие пределы масс: электронного:  m < 3.8 эВ,
мюонного: m < 0.19 МэВ, таонного: m < 18.2 МэВ. Осцилляции, по-видимому, наложат более строгие ограничения.

Нейтрино и двойной бета-распад

    На сегодняшний день, двойной бета-распад является данностью, когда речь идет о двухнейтринном его варианте. Да, вероятность его достаточно мала, однако у многих изотопов он достоверно обнаружен, определены согласующиеся с теорией периоды полураспада. Однако, еще в те времена, когда не было установлено различие между нейтрино и антинейтрино, была предложена концепция двойного безнейтринного бета-распада. В этом варианте нейтрино испускалось при распаде нейтрона, а затем поглощалось вторым нейтроном при обратном процессе. При этом испускаются два электрона, и изменяется лептонное число.
    После того, как разница между нейтрино и антинейтрино была установлена, вопрос двойного безнейтринного бета-распада несколько отошел на второй план. Казалось, майорановское нейтрино было напрочь перечеркнуто. Однако, изучение осцилляций нейтрино предполагает две возможные природы этих осцилляций − майорановскую и дираковскую. В связи с этим, сейчас исследования безнейтринного бета-распада снова становятся актуальными. Поскольку сами осцилляции говорят нам только о разности масс, но не говорят об их природе (более того, не исключено даже то, что самое легкое нейтрино все-таки не имеет массы), проверка существования или не существования бета-распада подобного типа окажет серьезное влияние на понимание природы явления.

Перспективы исследований нейтрино

    Подтверждение наличия массы у нейтрино будет первым шагом за пределы современной Стандартной модели, хотя потребует сравнительно небольшого расширения этой теории. В то же время, нарушение закона сохранения лептонного числа − довольно существенный эффект, который нельзя сбрасывать со счетов.
    В практическом плане применение нейтрино стоит в самом начале своего развития. На данный момент, даже несмотря на серьезный прогресс в постройке нейтринных телескопов, существенные результаты в астрофизике еще не получены, хотя дальнейший набор статистики может это изменить.
    Осцилляции нейтрино в веществе, возможно, когда-нибудь создадут условия для исследования глубинной структуры Земли, но на пути у подобного применения стоит, опять-таки, несовершенство метода регистрации.
    Ближе всего к практическому применению подходит проект по мониторингу ядерных реакторов с помощью измерения потоков нейтрино. Однако, методика все еще ждет тестирования и отработки.
    В любом случае, исследование нейтрино и связанных с ним явлений имеет несомненную научную ценность, и любые результаты, даже просто ставящие ограничения сверху на тонкие эффекты, чрезвычайно важна.

Литература

1. Е.В.Широков «Физика микромира», ISBN 978-5-98227-980-4, 2015
2. Ядерная физика в интернете, Б.С Ишханов, Э.И. Кэбин. Бета распад 
3. Ядерная физика в интернете, Физика нейтрино
4. Ядерная физика в интернете, Л.И. Сарычева. Ядерные реакции на Солнце и в звездах