Евгений Молчанов

Нейтринные осцилляции: идея подтверждена экспериментально

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 28 (2001)

На конференции NANP-2001

Излишне говорить, что далеко не всякая теоретическая идея находит свое экспериментальное подтверждение. Скорее, наоборот. Если же идея затрагивает самые основы наших физических представлений, то ее экспериментальное подтверждение становится настоящей сенсацией, которая способна взбудоражить не только научную общественность, но и гораздо большую часть цивилизованного человечества связывающего свое будущее с научно техническим прогрессом. Так случилось с нейтринными осцилляциями – идеей, выдвинутой Бруно Понтекорво более 40 лет назад и недавно подтвержденной экспериментально. Скептики могут говорить, что экспериментальная статистика еще недостаточна, что есть некоторые неопределенности в обработке данных, но наблюдающиеся в детекторах частиц события столь явственно свидетельствуют об осцилляциях нейтрино, что подобные сомнения уже не могут поколебать убежденность большинства физиков в том, что экспериментальное открытие этого явления является уже свершившимся фактом.

Об этих и других важных событиях, происшедших в физике элементарных частиц за последнее время, шла речь на недавно завершившейся в Дубне Третьей Международной конференции по неускорительной новой физике (NANP’2001), организованной Лабораторией ядерных проблем ОИЯИ в сотрудничестве с ИЯИ РАН. Именно в Лаборатории ядерных проблем работал академик Бруно Понтекорво, и именно здесь он впервые предложил идею нейтринных осцилляций. Лаборатория ядерных проблем и по сей день является одним из общепризнанных научных центров, где нейтринная проблематика и связанные с ней проблемы слабых взаимодействий изучаются как экспериментально, так и теоретически.

Оргкомитет NANP’2001, а это Виктор Бруданин, Вадим Бедняков, Сергей Коваленко, Анатолий Смольников и Вера Коваленко (ученый секретарь), сделали немало для успеха конференции, но, по признанию самих организаторов, успех конференции определили ее участники и представленные ими интереснейшие и даже сенсационные доклады...

Доклад канадского ученого доктора Жака Ферайна (Jacques Farine) из ванкуверского Университета Виктории о последних результатах, полученных в нейтринной обсерватории в Содбери (SNO), стал подлинной научной сенсацией. Это было одно из первых официальных сообщений об открытии, сделанном в SNO. А незадолго до того по просочившимся в прессу предварительным данным об этом открытии сенсация прошумела в западных масс-медиа – в центре внимания прессы и научного мира снова оказались таинственные нейтрино и их осцилляции...

Вскоре после сенсационного доклада на NANP’2001 редактор газеты Евгений Молчанов встретился с доктором Жаком Ферайном, профессором Самоилом Биленьким и доктором физико-математических наук Сергеем Коваленко. Беседа состоялась на террасе Дома международных совещаний, на ленте диктофона остались раскаты июньского грома и шум проезжающих мимо машин, характерные звуки минеральной воды, разливаемой по стаканам, – словом, тот звуковой фон, который наложился на беседу. И совсем другой фон, по контрасту минимальный, присутствует в тысяче тонн “тяжелой воды”, спущенной на глубину два километра от поверхности, в толще которой детектируются нейтринные события... Уточним, что нейтринная обсерватория SNO расположена в шахте на указанной глубине для снижения радиационного фона космического излучения.

Комментарии к докладу

Профессор Самоил Биленький:
Нейтринные осцилляции – один из центральных вопросов современной физики слабых взаимодействий. Экспериментально обнаружено несколько типов нейтрино – электронные, мюонные и таонные. Есть гипотеза, что могут быть еще и другие экзотические типы нейтрино, названные стерильными. Так вот, когда рождаются, скажем, электронные нейтрино, то со временем они могут превращаться в нейтрино других типов, если в природе реализуются нейтринные осцилляции. Где рождаются нейтрино? В слабых взаимодействиях, в частности, на Солнце. Солнце – это мощнейший источник не только электромагнитного излучения, но и электронных нейтрино. Именно электронные нейтрино формируют исходящий поток солнечных нейтрино, однако, вследствие осцилляций на пути к Земле часть из них может превратиться в другие типы нейтрино, предположительно, в мюонные. Полный же нейтринный поток должен оставаться неизменным. И то, что увидели канадские ученые в Содбери, – это не только уменьшение количества электронных нейтрино от Солнца, что наблюдалось и в других экспериментах, но, что принципиально важно, – появление мюонных нейтрино в потоке солнечных нейтрино. И именно этот факт почти неоспоримо свидетельствует в пользу нейтринных осцилляций. Это – главная новость, которую мы услышали на конференции в Дубне. И здесь мы должны подчеркнуть, что осцилляции нейтрино – это явление, предсказанное около сорока лет назад академиком Бруно Понтекорво.

К идее о возможности нейтринных осцилляций Бруно Максимович Понтекорво пришел в Дубне в 1957 – 1958 годах. Это была очень нетривиальная идея, и сейчас даже трудно представить себе, насколько неожиданной, новой она тогда казалась большинству физиков. Сейчас все говорят о массе нейтрино, об осцилляциях, а тогда и долгое время спустя большинство физиков были уверены, что нейтрино – безмассовая частица и никаких осцилляций в природе быть не может. Это всеобщее убеждение сохранялось примерно до начала 80-х годов. А в то время уже с начала 60-х эта идея развивается в Дубне, и фактически все современные эксперименты по поиску нейтринных осцилляций и измерению массы нейтрино были предложены уже тогда.

Сергей Коваленко:
Хотелось бы уточнить, чем обусловлен особый интерес именно к нейтрино, почему именно нейтрино, а не другая частица, находится в центре внимания столь долгое время. Ответ состоит главным образом в том, что нейтрино является своего рода посланником новой физики, лежащей за пределами применимости стандартной модели слабых и электромагнитных взаимодействий. Дело в том, что в стандартной модели не существует удовлетворительного решения проблемы масс нейтрино. Нарушая минимальность модели, можно ввести массы нейтрино, но невозможно объяснить столь разительную их малость по сравнению с массами других частиц. Невозможно – без привлечения идей, далеко выходящих за рамки стандартной модели, то есть без новой физики. Из различных экспериментальных наблюдений известно, что масса нейтрино, если и ненулевая, не превышает нескольких электронвольт, что на пять порядков меньше массы электрона. Наблюдение нейтринных осцилляций стало первым свидетельством того, что массы нейтрино хотя и малы, но все-таки отличны от нуля. Таким образом, наблюдение нейтринных осцилляций – это первое наблюдение новой физики.

Напомню еще раз, что к настоящему времени имеется уже два убедительных свидетельства о нейтринных осцилляциях – это осцилляции мюонных нейтрино, рождающихся в земной атмосфере космическими лучами, и осцилляции электронных нейтрино от Солнца. Первые были зарегистрированы детектором СуперКамиоканде три года назад, а явные признаки осцилляций солнечных нейтрино недавно были обнаружены с помощью детектора SNO, о чем мы узнали из доклада доктора Ферайна. Из сказанного понятно, почему нейтринная тематика всегда занимала центральное место в научной программе наших конференций NANP, посвященных новой физике за пределами стандартной модели. Для нас, организаторов этих конференций, отрадным фактом стало то, что руководство коллаборации SNO выбрало NANP’2001 для представления одного из первых официальных докладов о своих фундаментальных, в значительной степени сенсационных, результатах. Символично, что этот доклад был сделан именно в Дубне, где родилась и развивалась идея нейтринных осцилляций.

Как уже говорилось, идея эта принадлежит Бруно Понтекорво. Сейчас, когда осцилляции нейтрино становятся экспериментально подтвержденным фактом, об этом хотелось бы напомнить еще раз. Добавлю также, что Самоил Михелевич Биленький является одним из тех, кто внес определяющий вклад в развитие идеи нейтринных осцилляций.

Интервью после доклада

После краткой преамбулы дубненских участников конференции вопрос – к Жаку Ферайну:

Случайно ли первый доклад о ваших результатах был сделан именно в Дубне?

Если быть точным, то первое обсуждение этих результатов состоялось за день до открытия конференции по неускорительной новой физике в Дубне в Университете Виктории, что на Ванкувер Айленд, и это естественно. Там собрались фактически все участники коллаборации и их коллеги из университета. Что же касается дубненской конференции, о ней я узнал задолго до оформления результатов экспериментов и решил принять в ней участие, потому что меня привлекли и научная программа, и состав участников. Незадолго до отъезда подошел к руководителю эксперимента профессору Арту Макдональду и попросил его разрешения представить в Дубне результаты, которые были уже распространены в виде коммюнике, подписанного участниками коллаборации, по электронным сетям. Наш шеф дал мне “зеленый свет”.

Какой из множества вопросов, заданных после доклада, показался вам самым “трудным”? – Когда участники беседы перевели Жаку этот вопрос, он посмотрел в сторону Самоила Михелевича, и он подтвердил: “Да, наверное, это был мой вопрос, он касался некоторых неопределенностей в обработке данных эксперимента”...

...А вообще доклад был воспринят очень положительно, и большинство комментариев были весьма комплиментарными. Самым трудным для меня оказалось отвечать на все тосты на банкете, который состоялся вечером. Сегодня пришлось встать в шесть утра и сходить на Волгу – искупаться, чтобы быть в форме.

“Так вода же еще холодная”, – не удержался я, а дубненские собеседники напомнили: “Жак же из Канады, северной страны”. И тогда возник следующий вопрос:

Почему сенсационные результаты были получены именно в Канаде, в то время как в мире осуществляется несколько крупных экспериментов по измерению массы нейтрино и поиску осцилляций? В чем заключались особенности вашего эксперимента?

Конечно, помимо желания физиков осуществить столь заманчивый эксперимент, сыграли свою роль природные и другие особенности нашей страны. Во-первых, Канада располагает большим количеством “тяжелой”, дейтериевой воды. Во-вторых, есть глубокие шахты, в которых добывают никелевую руду. В одной из самых глубоких шахт, пробуренной в метеоритном кратере, мы и разместили в специально оборудованном подземном зале нашу аппаратуру. Еще очень важно, что все это время, пока мы набираем статистику, шахта работает и, соответственно, вся инфраструктура поддерживается не за наш счет. Правительство Канады на все время эксперимента “одолжило” нам тысячу тонн тяжелой воды из своего стратегического запаса, а это триста миллионов канадских долларов – в четыре раза больше, чем стоимость всего проекта.

Кто входит в коллаборацию и сколько времени вам потребовалось от начала работы над проектом до получения первых результатов?

В нашей коллаборации 130 физиков из 11 институтов и университетов Канады, США и Англии. Предложение эксперимента было подготовлено в 1985 году. В начале работы над проектом нам приходилось преодолевать большое количество трудностей чисто технологического характера – подготовка помещения для экспериментальной аппаратуры на большой глубине требовала нетривиальных решений. Все оборудование спускалось на лифтах, затем монтировалось при температуре 40 градусов Цельсия. Все эти операции можно сравнить со сборкой парусника в бутылке.

Та самая тысяча тонн тяжелой воды была привезена на 47 трейлерах, а затем заливалась в собранную из специальных сегментов емкость из акрила с толщиной стенок в пять сантиметров. Днем привозили, ночью спускали и заливали.125 панелей надо было склеить в специально оборудованном чистом помещении, ведь необходимое требование к детектору – стерильность (лучше, чем в операционной!) и радиационная чистота. И нам удалось достичь такой степени радиационной очистки, что активность, растворенная в тысячетонной толще воды, составляет величину, не большую, чем в этом пустом стакане (доктор Ферайн демонстрирует нам пустой тонкостенный стакан из-под минералки).

В апреле 1999 года детектор был заполнен водой. Через два дня включили высокое напряжение – и все сразу заработало! Первого мая – символический день! – были получены первые калибровочные результаты. Они показали – все собрано правильно, установка работает. Это был настоящий праздник – все собрались перед терминалом посмотреть на первые события: “Вот нейтрино! И еще одно!..”. С мая по октябрь шла настройка детектора в разных режимах – меняли магнитное поле, напряжение. 1 ноября того же года решили, что калибровочные сеансы окончены, и пора набирать статистику. До 15 января 2001 года продолжались эксперименты, чистое время набора статистики составило 2041 день, а потом полгода обрабатывались результаты, доложенные на этой конференции.

Как отреагировали на ваши результаты масс-медиа?

Это был настоящий взрыв! В первый же день наш веб-сайт посетили 2000 человек, на следующий день число посещений возросло до 300 тысяч. Когда мы разослали первое коммюнике коллаборации в страны-участницы, его “перекачали” пять тысяч человек в файлы своих лабораторий. Что же касается комментариев в прессе – то это уже на совести журналистов, здесь много зависит от их компетентности и добросовестности.

И что дальше?

Конечно, в наш доклад вошли только первые результаты. Еще не все данные проанализированы, надо повысить точность, надежность экспериментов. Пока данные регистрируются только в одной конфигурации, потом наберем статистику еще, по крайней мере, в трех, чтобы повысить точность, извлечь некие систематические ошибки...