Нейтринный треугольник: все углы известны

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 10 (2013)

    До прошлого года коллаборация Daya Bay была лишь одной из нескольких десятков научных групп, исследующих нейтрино. А по итогам 2012 года вошла в десятку самых результативных исследовательских проектов мира. "Измерение угла смешивания нейтрино Θ₁₃" - такое, не совсем обычное, название у открытия, аналоги которому, по признанию специалистов, случаются раз в 30 лет. Объяснить, что скрывается за этими научными символами, проследить исторический путь к этому открытию и рассказать об экспериментах на атомной электростанции Daya Bay редакция попросила очевидца событий - кандидата физико-математических наук начальника сектора N1 научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Д.В.НАУМОВА.

Дмитрий Вадимович, давайте начнем с небольшого обзора - когда ученые стали получать знания о нейтрино?

    В конце 19-го - начале 20-го веков началось активное изучение радиоактивности. Радиоактивные распады были обнаружены сначала Анри Беккерелем, а затем Марией и Пьером Кюри. Позже распады разделили на три группы по типу взаимодействия - сильное, слабое и электромагнитное, а сначала просто называли буквами: альфа, бета, гамма. Сильные и электромагнитные распады (альфа и гамма) были понятны физикам того времени - законы сохранения энергии и импульса в них соблюдались. Как раз тогда создавалась квантовая механика, и все вполне укладывалось в общую канву квантования уровней. Однако при бета-распаде, с которым мы сейчас связываем слабое взаимодействие, вылетает электрон или позитрон с энергией, значение которой не дискретно, то есть оно может принимать любое значение от минимального до максимально возможного. Физики говорят в таком случае о спектре значений энергии. Непрерывность спектра электронов из бета-распадов ставила многих ученых в тупик, и Н.Бор, один из создателей квантовой механики, даже обсуждал возможность того, что энергия и импульс не сохраняются в микроскопических масштабах. К счастью, эту идею не поддержали другие физики.
    В 1930 году В.Паули был первым, кто догадался, что в распаде может образовываться третья частица, которая улетает незамеченной. Благодаря ей и наблюдается непрерывный спектр электронов в бета-распадах: энергия и импульс делятся между дочерним ядром, электроном и (анти)нейтрино. Он сделал оценки для своей гипотетической частицы - она должна быть нейтральной, с массой, много меньшей массы протона, и очень слабо взаимодействующей, потому и незаметной. Паули назвал эту частицу нейтроном, однако в 1932 году Д.Чедвиком был открыт настоящий нейтрон, он оказался тяжелее протона и явно не годился на роль незаметно улетающей частицы. В середине 30-х годов Энрико Ферми вернулся к этой идее, создав теорию бета-распада и попутно назвав "нейтрон Паули" итальянским словом "нейтрино", что означает маленький нейтрон.

С тех пор прошло почти 80 лет. Расскажите вкратце, как развивались исследования нейтрино.

    С момента предсказания Паули до экспериментального обнаружения нейтрино прошло 26 лет. За это время Ферми создал теорию бета-распада с участием нейтрино (я бы все-таки отметил, насколько разнятся вклады этих ученых - у Паули был гениальный провидческий ход, а Ферми сделал из этой идеи теорию, которую потом проверили и подтвердили). Согласно этой теории, вероятность того, что нейтрино провзаимодействует с другой частицей, оказалась очень мала, поэтому экспериментально обнаружить ее довольно сложно. Например, теоретически нужно поставить бок о бок миллиард Солнц, чтобы нейтрино провзаимодействовало хотя бы один раз. С другой стороны, это очень хорошо для астрофизиков - ведь нейтрино несет в себе информацию о самых глубоких внутренних областях звезды, куда нам иным способом никак не добраться. Например, из-за многократных перерассеяний в веществе Солнца фотону требуется почти 10 тысяч лет, чтобы выбраться из середины нашего светила на поверхность.
    Теоретики оценили вероятность взаимодействия нейтрино и ужаснулись его малому значению по сравнению с электромагнитными или сильными взаимодействиями. Бытовало даже мнение, что нейтрино вообще никогда не удастся зарегистрировать и оно останется только красивой гипотетической частицей, объясняющей непрерывность бета-спектра. Однако согласно поговорке "глаза боятся, а руки делают", оказалось, что достаточно поставить в нескольких метрах от реактора бак с парой сотен литров воды и растворенным в ней хлоридом кадмия, проложить его тремя слоями жидкого сцинтиллятора, окружить фотоумножителями, - и можно увидеть взаимодействия антинейтрино от реактора.

Почему именно около реактора?

Потому что в реакторе в избытке рождаются совершенно "бесплатные" нейтрино (точнее, антинейтрино). До некоторого времени до них никому не было дела. Поэтому, если нет намерения строить специальный нейтринный источник, то проводить эксперименты на атомных станциях - самый удобный вариант. В 1956 году был проведен ставший классическим эксперимент Ф.Райнеса и Ч.Коуэна на реакторе в Хэнфорде, когда в пластиковом баке с водой они увидели взаимодействие антинейтрино с веществом. Интересно, что Райнес дожил до Нобелевской премии, а Коуэн, к сожалению, нет. На этом примере я обычно в своих лекциях советую молодым ученым: во-первых, беречь здоровье и заниматься спортом, а во-вторых, не останавливаться в своих исследованиях - никто не может заранее загадать, что за этим последует. Райнес и Коуэн открыли так называемое электронное нейтрино ν_e.
    Следующий тип нейтрино был открыт в 1962 году Л.Ледерманом, М.Шварцем и Дж. Штейнбергом. Они понимали, что, согласно теории Ферми, пи-мезон в большинстве случаев при распаде рождает мюон и нейтрино или антинейтрино, в зависимости от знака заряда пиона. Надо было ответить на вопрос - отличаются ли эти нейтрино от тех, что видели Райнес и Коуэн? Было решено поставить эксперимент, в котором регистрировались бы нейтрино из распадов пиона. Идейно эксперимент выглядел просто - пучок пионов направляется в длинный канал, где и происходит распад (пион живет примерно 26 наносекунд). Получившиеся в результате распада мюоны задерживаются толстой стальной стеной, а нейтрино ее преодолевают и попадают в детектор. Оказалось, что эти нейтрино, взаимодействуя с веществом детектора, всегда порождают мюоны, а не электроны. Таким образом, выяснилось, что существуют по крайней мере два типа нейтрино - электронные ν_e и мюонные ν_µ.

Как же регистрируют нейтрино, если они так слабо взаимодействуют?

    Есть несколько способов. Например, если энергия нейтрино большая (в несколько раз больше массы протона), то они могут провзаимодействовать с протоном или нейтроном, образуя пионы, каоны и другие частицы. С хорошим детектором (их сейчас много - например, дрейфовые камеры или фотоэмульсии) это можно увидеть. Или другой способ, который используют как раз в Super-Kamiokande. Нейтрино рассеивается на электроне, тот приобретает большую кинетическую энергию и летит почти со скоростью света в вакууме. Интересно, что сам свет с длиной волны из видимого диапазона при этом движется в среде в n раз медленнее, чем в вакууме (n - показатель преломления среды). Выходит, что электрон или другая заряженная частица может двигаться в среде почти со скоростью света, при этом сам свет движется медленнее. Тогда возникает интересное явление - электрон начинает излучать свет вдоль узкого конуса. Оно называется "черенковское излучение" и используется во многих современных физических установках. В Super-Kamiokande по стенкам огромной бочки с водой установлены фотоумножители, которые "видят" черенковский свет от электронов или мюонов (или других заряженных частиц), и становится понятно - здесь было взаимодействие нейтрино или антинейтрино. Есть и другие способы обнаружения нейтрино, но общая особенность детектирования этой частицы в том, что всегда детектор должен быть очень большой, чтобы получить как можно больше событий. Сегодня речь уже идет о проектах с десятками килотонн и даже мегатонн вещества! При этом детектор должен быть очень чувствительным, чтобы не потерять информацию на микроскопическом уровне. В этом смысле нейтринная физика предъявляет очень серьезные требования к технологиям.
    В этом можно убедиться на примере открытия третьего типа нейтрино. Это было сделано совсем недавно - в 2000 году. В США был проведен эксперимент DONUT. Тау-нейтрино взаимодействовали в специальном фотоэмульсионном детекторе, рождая тау-лептон - короткоживущий лептон, который перед распадом успевает пройти путь длиной несколько сотен микрон и оставить маленькую часть трека в фотоэмульсии. Дочерние треки тау-лептона идут под большим углом к исходному, делая такой изломанный трек исключительной меткой распада тау-лептона. Обнаружение таких событий в DONUT привело к открытию тау-нейтрино - ν_τ.
    Итак, к началу нашего века стало известно о трех типах нейтрино, каждый из которых всегда рождается вместе с соответствующим лептоном - электроном, мюоном или тау-лептоном. Таким образом, каждому нейтрино приписывается свое квантовое число - аромат (или "флэйвор"). Эксперименты указывали на то, что аромат нейтрино сохраняется.

Между обнаружением второго и третьего поколений нейтрино прошло почти 40 лет. Что происходило в нейтринной физике в эти годы?

    В процессе проведения новых экспериментов физики все чаще высказывали сомнение в том, что аромат нейтрино сохраняется. Некоторые эксперименты регистрировали меньшее число нейтрино, чем ожидали согласно теоретическим вычислениям. Одной из гипотез, объясняющих такой дефицит в числе нейтринных взаимодействий, были нейтринные осцилляции. Согласно этой гипотезе, в пучке, состоящем изначально только из электронных, например, нейтрино, появляется примесь мюонных и тау-нейтрино с одновременным уменьшением доли электронных. Вероятность появления этой примеси зависит периодическим образом от расстояния между источником и детектором. Тогда уменьшение доли исходных нейтрино естественным образом объясняло бы наблюдавшийся дефицит в числе взаимодействий.

Почему нейтрино осциллируют?

    Дело в том, что три типа нейтрино v_e, v_µ и v_τ не являются привычными частицами в том смысле, что у них нет определенной массы! Есть другие три типа нейтрино, у каждого из которых есть определенная масса. Для них нет красивого названия, и их пока называют просто v₁, v₂ и v₃. Так вот, нейтрино v_e, v_µ и v_τ являются квантовой смесью состояний v₁, v₂ и v₃, каждое из которых входит в флэйворное состояние со своей долей. Эти доли удобно выражать математически через углы смешивания Θ₁₂, Θ₂₃, Θ₁₃. Получается, что v_e, v_µ и v_τ состоят из трех волн, каждая из которых колеблется со своей частотой и амплитудой. Теперь становится понятно, что если в начальный момент времени это сложное волновое образование выглядело как, например, v_e, то в последующие моменты времени эти волны сложатся так, что появляется примесь v_µ и v_τ, что и могут измерить экспериментаторы как дефицит в числе v_e, или же как появление новой примеси v_µ и v_τ.
    Вероятность таких переходов аромата нейтрино будет периодической. Измеряя соответствующие вероятности осцилляций, можно узнать значения этих углов смешивания. Если бы углы оказались равными нулю, это бы означало, что никакого смешивания нет. Однако экспериментально показано, что угол Θ₁₂ составляет около 34 градусов, а Θ₂₃ близок к 45, то есть смешивание есть, и значительное. Таким образом, электронное нейтрино почти наполовину состоит из v₁ и примерно по одной четверти примеси от v₂ и v₃. Каждое массивное нейтрино (v₁, v₁ и v₃) вносит свой вклад, близкий к одной трети, в квантовое состояние под названием "мюонное нейтрино". А тау-нейтрино состоит почти наполовину из v₂ и наполовину из v₃ с маленькой примесью v₁. В процессе изучения осцилляции v_µ в v_e был измерен угол Θ₁₂, а в осцилляциях v_µ и v_τ измерили Θ₂₃. Последний, неизвестный до 2012 года, угол смешивания Θ₁₃ был открыт в эксперименте Daya Bay.

Являются ли смешивание и осцилляции чем-то уникальным, присущим только нейтрино?

    Нет, это общее явление. Оно присуще также и кваркам. Более того, в адронной физике еще раньше наблюдали осцилляции нейтральных каонов, D-мезонов. Особенность осцилляций нейтрино в том, что они проявляются в макроскопических масштабах - на протяжении сотен и тысяч километров. Причина этой особенности только в том, что у нейтрино очень маленькая масса, а также в том, что массы трех типов нейтрино Θ₁, Θ₂ и Θ₃ близки друг к другу.

Расскажите подробнее об открытии нейтринных осцилляций - как возникли предпосылки, гипотезы, подтверждения. Ведь нейтрино долгие годы считалось одной из самых загадочных частиц, ее упоминали в песнях, научно-фантастических произведениях.

    Первой предпосылкой был дефицит числа электронных нейтрино, летящих от Солнца, который был обнаружен в эксперименте Дэвиса в Хоумстэйке еще в семидесятых годах прошлого века. Всерьез об осцилляциях заговорили во второй половине 90-х годов. Измерение первых двух углов было связано в основном с экспериментом Super-Kamiokande. У японцев на тот момент нейтринная программа была развита лучше всех. Электронные нейтрино летят от Солнца во все стороны, в том числе к Земле, их довольно много. Через каждый квадратный сантиметр за секунду их пролетает 10 миллиардов, мы все живем в потоках нейтрино. Есть теоретическая модель Солнца, в рамках которой рассчитывается количество солнечных нейтрино, и есть эксперименты, которые их регистрируют. Между теорией и экспериментом возникло расхождение - эксперимент видел примерно в два раза меньше нейтрино, чем было предсказано. Физики назвали это явление проблемой солнечных нейтрино, много лет она у всех была на слуху, делалось множество предположений.
    Одной из версий была гипотеза о нейтринных осцилляциях. Предполагалось, что электронные нейтрино на пути от Солнца превращались в другие типы нейтрино. Их невозможно было увидеть, потому что у нейтрино не хватало энергии для рождения мюона или, тем более, тау-лептона. Это была красивая, но не единственная гипотеза. Она существовала наравне с парой десятков других предположений. Думаю, однако, было бы уместно вспомнить о том, что идею нейтринных осцилляций высказал академик Б.М.Понтекорво, работавший в ОИЯИ. Что поразительно, он высказал идею о возможном дефиците нейтрино от Солнца еще до проведения самого эксперимента! Но, как я уже сказал, были и другие гипотезы, объясняющие загадку солнечных нейтрино.
    Точку в этом споре поставил эксперимент SNO (Канада), в котором вместо воды применили тяжелую воду D₂O. Казалось бы, что такого - вместо водорода дейтерий? Всего лишь еще один нейтрон, но разница оказалась огромна! Дело в том, что нейтрино может взаимодействовать с веществом двумя способами - с рождением заряженного лептона (электрона, мюона, тау-лептона) или же оставаясь нейтрино (нейтрино прилетело, провзаимодействовало, и оно же улетело). Первый способ называется заряженным током, а второй нейтральным током. Заряженный ток хорош тем, что в нем есть флэйворная метка нейтрино, а в нейтральном такой метки нет, поскольку все нейтрино одинаково охотно взаимодействуют по каналу нейтрального тока. Этот кажущийся недостаток для осцилляционных экспериментов, на самом деле, - отличная штука! Действительно, если солнечные электронные нейтрино из-за осцилляций превратились в смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино, то вся эта смесь все равно будет одинаково взаимодействовать по каналу нейтрального тока, давая тем самым экспериментаторам возможность узнать полное число нейтрино в пучке, независимо от их осцилляций! Оставалось только придумать эффективный способ, как такие нейтральные токи видеть экспериментально. Вот для этого и решили использовать тяжелую воду.
    Энергии солнечных нейтрино хватает, чтобы разорвать связи между нейтроном и протоном в дейтерии, и экспериментаторам оставалось только посчитать число таких развалов. Оказалось, что число нейтрино, которое было подсчитано по таким событиям, находится в прекрасном согласии с теорией, в то время как число событий, идущее по каналу заряженного тока, почти в два раза меньше теории. Так было доказано, что нейтрино от Солнца осциллируют. Важный вклад в решение проблемы солнечных нейтрино внесли эксперименты KamLAND и Борексино (и в том и в другом принимали участие сотрудники ОИЯИ). Таким образом был измерен угол Θ₁₂. Не будем подробно останавливаться на том, как был измерен другой угол Θ₂₃. Отмечу лишь, что основной вклад в этот вопрос внесли эксперименты Super-Kamiokande и MINOS.

Три вида нейтрино открыты, осцилляции доказаны, два вида смешивания наблюдалось, два угла измерены. Переходим к Daya Bay, где был измерен третий угол. Что представляет собой этот эксперимент?

    На юге Китая, в 52 километрах севернее Гонконга, расположены три реакторных комплекса - Daya Bay, Ling Ao и Ling Ao 2. В каждом из них по два реактора для производства энергии. Расчеты показали - чтобы обнаружить эффект осцилляций нейтрино за счет третьего угла смешивания, надо поставить детектор на расстоянии 1,5-2 км от реактора и измерить дефицит антинейтрино. Исходя из величины этого дефицита, можно вычислить последний из неизвестных углов Θ₁₃. Но тут встает вопрос: а не возникает ли дефицит из-за того, что реактор излучает немного меньше антинейтрино, чем мы думаем, или же вероятность взаимодействия этих антинейтрино с протоном на самом деле чуть меньше наших сегодняшних предположений? Как нам избавиться от того, что наши знания о физических процессах всегда имеют ограниченную точность? Чтобы этого избежать, был применен способ, который сегодня становится в нейтринной физике стандартным - поставить дополнительные "ближние" детекторы. В них те же потоки и сечения, но нет вкладов от осцилляций нейтрино, которые становятся существенными только с увеличением расстояния. С реакторами такой эксперимент проводился впервые, и он сразу же дал результат.

Вид на реакторный корпус Daya Bay

Приходилось слышать мнение, что эксперимент был очень хорошо подготовлен. Использовался опыт предыдущих исследований?

    Да, конечно. Например, в создании сцинтиллятора. Для увеличения эффективности детектирования нейтронов (при взаимодействии антинейтрино с протоном рождаются позитрон и нейтрон) в жидкий сцинтиллятор добавляют гадолиний. Однако со временем химическое соединение с гадолинием может выйти из раствора с жидким сцинтиллятором, образуя непрозрачную смесь, и детектор перестает нормально работать. К сожалению, именно это случилось с реакторным экспериментом Chooz во Франции, и они были вынуждены остановиться буквально в шаге от открытия. Им удалось только сказать о том, что
sin²2Θ₁₃<0,15. Разумеется, этот опыт был учтен при проектировании эксперимента Daya Bay - был создан жидкий сцинтиллятор, сохраняющий свою прозрачность многие годы. Кроме этого, была разработана автоматическая система регулярной калибровки детекторов, которая позволила нам существенно снизить систематические погрешности по сравнению с предшественниками. В итоге на Daya Bay ненулевое значение угла Θ₁₃ было доказано впервые. Сегодня измеренное значение
sin²2Θ₁₃=0,089 исключает нулевое значение этого угла почти на восемь стандартных отклонений! Этот результат был подтвержден позднее реакторными экспериментами RENO, Double Chooz. Отмечу, что годом ранее открытия Daya Bay ускорительные эксперименты T2K и MINOS получили указание на ненулевое значение угла Θ₁₃.

Каким образом измерялся угол Θ₁₃? Когда и где состоялось официальное признание открытия?

    Daya Bay - это международная коллаборация, она состоит из физиков Китая, США, Тайваня, Гонконга, Чехии и России. Россия представлена ОИЯИ. Нам необходимо было сначала создать детекторы, ближние и дальние, установить их и начать набор данных. Примерно через 55 дней с начала набора данных ближними и дальними детекторами было решено проанализировать первую порцию данных. В современной физике, когда ученые ищут то, что еще не открыто, применяют так называемый "слепой анализ". Это скорее попытка избежать, скажем так, самообмана, потому что когда люди искренне хотят обнаружить какой-нибудь эффект и при анализе данных видят что-то похожее, потом бессознательно начинают критерии отбора настраивать таким образом, чтобы этот эффект усилить. Это естественное психологическое явление, которое, тем не менее, часто приводит к неправильным результатам. Поэтому используется метод слепого анализа: физики анализируют данные, но часть информации (в данном случае речь идет о массе детектора, о мощности реактора, о некоторых эффективностях) от анализаторов данных утаивается.

Три детектора в дальнем экспериментальном холле ЕН3

    В данном случае использовались номинальные параметры, которые должны были бы быть в идеале. Такая обработка - довольно длительная процедура, ученые обмениваются результатами, выводами, ищут потенциальные проблемы. И только после того, как мы все проанализировали и убедились, что у нас нет систематических ошибок (или мы их не можем идентифицировать), открывается "черный ящик". В действительности люди, которые все это засекретили, говорят - берите эту информацию, применяйте ваш анализ (а в нем уже ничего нельзя изменить!), производите окончательные вычисления, докладывайте окончательный научный результат. И когда все это было проделано, стало очевидно, что мы систематически в дальнем детекторе видим дефицит событий, который надо интерпретировать как проявление осцилляций. Это происходило на внутреннем, закрытом совещании, где присутствовали только члены коллаборации.
    Время было действительно горячее, совещание проходило в феврале 2012 года, и мы все очень напряженно работали. В итоге 8 марта 2012 года коллаборация Daya Bay объявила, что угол Θ₁₃ отличен от нуля, со статистической значимостью 5,2σ. Как говорится, "и на следующий день они проснулись знаменитыми". Было сделано действительно очень важное научное открытие. Такие открытия происходят, пожалуй, раз в 30 лет, это один из трех основополагающих параметров в понимании физики нейтрино.
    И статья с этими результатами имеет сегодня уже более 400 цитирований, прибавляя в числе ссылок буквально каждый день.

Что участники коллаборации планируют делать дальше?

    Если говорить про первую фазу Daya Bay, то набор и анализ данных продолжается. У нас сейчас вновь горячая пора - делаем новый анализ, который учитывает энергетическую зависимость. До этого анализировали только полное число событий, а теперь хотим посмотреть, как они распределены по энергиям, потому что осцилляции очень зависят от энергии, и это нам поможет уточнить параметры осцилляций. За ближайшее время набора данных, в течение трех лет, у нас очень сильно уменьшится статистическая ошибка и точность измерений будет гораздо лучше, чем у кого бы то ни было. Это и станет, наверное, окончательным результатом измерения Θ₁₃ с самой маленькой ошибкой, с беспрецедентной точностью.
    Но уже сегодня готовится новый проект, ведь открытые вопросы в нейтринной физике еще остаются. Три угла измерены, так же как и две разницы квадратов масс, которые измеряются в осцилляциях между первым - вторым и вторым - третьим поколениями. Но до сих пор неизвестно, первое нейтрино тяжелее, чем третье, или наоборот. Это так называемая проблема иерархии масс нейтрино. И вторая фаза эксперимента Daya Bay как раз ставит своей целью эту иерархию масс определить. Для этого нужно будет ставить детектор на расстояние 60 километров от реактора, там должна будет проявиться разница между двумя сценариями смешивания. Это глобальная задача, и мы с нуля начинаем новый цикл. Аналогично почти 10 лет назад в 2004 году начинался эксперимент Daya Bay. Сейчас мы начинаем такой же новый цикл - с 2012 года готовим новый эксперимент, который даст результат только в 2025 или, если повезет, в 2023 году. Вторая стадия, может быть, даже будет называться по-другому, потому что будут использованы другие реакторы, уже точно известно, что в другом месте, южнее Гонконга. Форма детектора будет сферической (в Daya Bay использовали 8 цилиндрических детекторов), диаметр 37 метров, заполнена жидким сцинтиллятором. Эксперимент несет много технологических вызовов, поскольку требуются улучшения почти по всем параметрам - очень хорошая точность восстановления энергии, положения, однородность детектора. То есть с точки зрения технологических инноваций это будет следующий шаг, который требует отдельной подготовки и специальных исследований.

Беседу вела Галина МЯЛКОВСКАЯ

Цифры и факты

- Каждый из восьми детекторов эксперимента Daya Bay - трехзонный. Внутренняя зона заполнена 20 тоннами жидкого сцинтиллятора с примесью гадолиния, еще 20 тонн жидкого сцинтиллятора без примеси располагаются в средней зоне и 40 тонн минерального масла служат внешним буфером от радиоактивного фона.

- Первый подземный зал с детекторами находится примерно в 300 м от Daya Bay, второй - в полукилометре от Ling Ao, а третий - приблизительно в 2 км от обеих электростанций.

- За 126 дней эксперимента в Daya Bay было зарегистрировано более 200 000 взаимодействий антинейтрино. Из них почти 30 000 событий было зарегистрировано в дальних детекторах.