Неуловимые нейтрино

ЛЕКТОРИЙ / #6_2019
Иллюстрация: Влад Суровегин

Главный научный сотрудник Института ядерных исследований Российской академии наук Дмитрий Горбунов рассказывает о том, что такое нейтрино, какими они бывают и почему ученым необходимо доказать существование самых неуловимых — стерильных нейтрино.

В последние годы активно развивается тема стерильных нейтрино. Речь идет о нейтрино, которые не укладываются в Стандартную модель. За последние 10−20 лет появилось множество экспериментальных данных, указывающих на существование таких нейтрино.

Понятие «нейтрино» в 1930-х годах ввел немецкий физик Вольфганг Паули для объяснения очень странного явления. Во время бета-распада ядер одно ядро переходит в другое, при этом высвобождается электрон. С помощью приборов мы можем зарегистрировать свойства этой частицы. С точки зрения закона сохранения энергии и импульса, во всех процессах этот электрон должен вылетать с одной и той же скоростью. Однако эксперимент показал, что это не так: электроны на выходе имеют разные энергии.

Это была загадка, и одно из предложенных решений было таким: в мире элементарных частиц законы макроскопического мира не работают. Однако В. Паули предложил другое объяснение: он предположил, что в процессе деления ядер появляется еще одна частица — назовем ее v, — и эта частица электрически нейтральна. Электромагнитные приборы зафиксировать эту частицу не могут. В так называемом трехчастичном распаде (ядро распадается на ядро, электрон и новую безмассовую частицу) энергия электрона однозначно не фиксируется. Законы сохранения энергии и импульса по-прежнему работают.

Таким образом нейтрино вошло в обиход физики частиц. Через несколько десятков лет его удалось наконец зарегистрировать. Как? Представим еще раз весь процесс: распад ядра появление другого ядра, электрона и нейтрино. Представим, что у нас есть мощный источник, инициирующий такой распад, и есть, соответственно, целый поток нейтрино. Логично предположить, что идет и обратный процесс: нейтрино рассеиваются на втором ядре с образованием первого и позитрона. Тогда, фиксируя появление позитрона в веществе «из ниоткуда», можно сделать вывод: это результат взаимодействия нейтрино с ядром. Сегодня это основное убедительное средство регистрации нейтрино.

Нейтрино не участвуют в электрических и сильных взаимодействиях, участвуют только в слабых. Ну и в гравитационных, конечно.
Расширяя Стандартную модель
Подобно электронам и позитронам, частицам и античастицам, существуют нейтрино и антинейтрино. Антинейтрино возникают в процессах распада, если появляется электрон, а нейтрино — если появляется позитрон, то есть происходят прямой и обратный бета-распады.

Забавный факт: экспериментально все частицы, описанные в Стандартной модели, обнаружены, за исключением одной-единственной — антинейтрино-тау. То есть когда говорят о бозоне Хиггса как о последней обнаруженной частице Стандартной модели — это неправда.

Ученые обнаружили новые частицы (отличные от протонов, нейтронов и электронов), изучая космические лучи. Это частицы, приходящие из космоса, взаимодействующие с частицами атмосферы и таким образом рождающие вторичные частицы, которые долетают к нам.

Время их жизни очень мало, но энергия огромна. Чем больше в частице энергии, чем быстрее она летит, тем дольше живет и, соответственно, может попасть в детектор. Так среди космических лучей были зарегистрированы новые частицы, которые не являются ни протонами, ни нейтронами.

Что такое антинейтрино? В стандартной модели фундаментальные частицы формируют так называемые поколения. По современным представлениям, протон состоит из трех кварков (u-кварка, d-кварка, u-кварка), а нейтрон — из u-кварка d-кварка и d-кварка. U и d — это up и down. У u-кварка электрический заряд +2/3, у d кварка -1/3. Если просуммировать их, у нейтрона получается ноль, то есть нейтрон нейтрален. А вот протон заряжен (его заряд +1). Это специфические частицы, участвующие в сильных взаимодействиях.

Есть еще два аналога up и down — это charm (очаровательный) и strangeness (странный) кварки; а также truth (top) и beauty (bottom) кварки. С точки зрения взаимодействия, это прямые аналоги u- и d-кварков, но массы у них существенно другие: например, масса charm больше, чем масса протона, масса top-кварка — это самая большая зарегистрированная масса, относящаяся к элементарным частицам. Она примерно в 200 раз больше, чем масса протона, это самый тяжелый объект — тяжелее, чем бозон Хиггса. Масса bottom-кварка в пять раз больше, чем масса нейтрона.

Частицы, состоящие из тяжелых кварков, очень нестабильны и легко распадаются на более легкие, причем происходит это очень быстро: самая долгоживущая из них частица — это заряженный каон, время ее жизни — 10-8 секунды. Вот почему эти частицы ничего не образуют и сразу «разваливаются» на более легкие, состоящие из легких кварков. В том числе есть аналоги распада нейтрона — когда наряду с частицами из легких кварков появляются нейтрино и, например, электрон.

Мы обсудили поколения кварков, теперь давайте поговорим об электронах и возникающих при распаде нейтрино.

Есть электрон и соответствующий ему тип нейтрино —электронные нейтрино; и есть аналоги, лептоны старшего поколения: мюон и мюонное нейтрино, тау-лептон и тау-нейтрино. Они также могут возникать при распадах частиц с тяжелыми кварками. У электрона, мюона и тау-лептона электрический заряд -1, а нейтрино —нейтральные частицы. Лептоны старшего поколения тяжелее: масса мюона примерно в 200 раз больше, чем масса электрона, тау-лептон почти в два раза тяжелее, чем протон. Как и нейтроны, они распадаются, и самая долгоживущая из них частица — мюон. Он распадается на электрон и два нейтрино (мюонное и электронное). Время жизни мюона примерно 10-6 секунды — это самая долгоживущая из таких частиц, все остальные очень быстро распадаются, поэтому их тяжелее изучать. Мюон — первая частица, обнаруженная в космических лучах.

Соответственно, когда мы говорим, что зарегистрировали нейтрино мюонного типа, это значит, что оно было зарегистрировано в ходе процесса появления мюона; электронное нейтрино возникает, когда появляется электрон; тау-нейтрино — когда появляется тау-лептон.

Анти-тау-нейтрино пока не удалось заметить, потому что никто не видел процесса появления +тау-лептона внутри детектора. Но никто не сомневается в существовании таких частиц, и физика Стандартной модели предполагает, что они существуют.
Есть масса или ее нет?
У нейтрино есть еще одно свойство, отличающее их от других частиц: Cтандартная модель предполагает, что они безмассовы. Стандартная модель была сформулирована в результате анализа большого набора экспериментальных данных, и в рамках этого набора не было никаких указаний на массу нейтрино.

Тем не менее продолжаются попытки вычислить массу нейтрино. Как они устроены? Представим процесс распада нейтрона: появляются протон, электрон и нейтрино. Масса нейтрона больше, чем сумма масс протона и электрона; также выделяется определенная энергия, которая расходуется на то, чтобы продукты реакции разлетелись в разные стороны. Следовательно, если нейтрино имеет массу, то импульс электрона будет ограничен сильнее, чем если бы этой массы не было, — ведь нужно еще немножко энергии, чтобы создать эту массу, пусть даже очень маленькую. И отличие энергичных электронов в этом процессе от предсказанной модели (утверждающей, что нейтрино не имеет массы) позволяет предполагать у нейтрино массу.

Пока прямые поиски масс нейтрино не дали никаких положительных результатов. Есть только ограничения по экспериментам, показывающие расхождения с теоретическими предсказаниями. Экспериментально идет процесс распада трития — в ходе этого процесса ищут массу нейтрино. Масса, ассоциированная с электроном — то есть масса электронного нейтрино — меньше, чем 2 электронвольта на С² (2 эВ x С²). Для сравнения: масса электрона примерно 5×105 эВ x С², то есть отличие чудовищное.

Кстати, совсем недавно — в сентябре этого года — появилось новое ограничение для массы нейтрино — 1 эВ. Такие данные были получены в результате эксперимента на установке KATRIN в Карлсруэ, в котором участвуют ученые из нашего института — ИЯИ РАН. KATRIN — увеличенный аналог установки, которая находится в ИЯИ РАН и на которой полтора десятка лет назад и было получено ограничение в 2 эВ. Ожидается, что KATRIN достигнет рубежа в 0,2 эВ.

Аналогичные исследования нейтрино двух других типов показали ограничения значительно хуже: нигде не видно массы напрямую.

Итак, одно из свойств нейтрино — они очень легкие. Их масса гораздо меньше, чем массы других частиц, которые есть в Стандартной модели: ожидается, что одно нейтрино точно не легче, чем 0,05 электронвольта (этот вывод сделан в результате изучения так называемых нейтринных ­осцилляций).

Поскольку нейтрино участвуют только в слабых процессах, их очень тяжело изучать экспериментально, так как эти процессы происходят редко. Например, у нас есть атомная станция, в реакторе которой происходит распад нейтронов. Ядерный реактор прекрасно защищен, ни одна частица не может вырваться наружу — за исключением нейтрино. Нейтрино свободно проходят все преграды. Чтобы остановить нейтрино, нужно было бы построить стену, например, из свинца толщиной как расстояние от Солнца до следующей звезды.

Кстати говоря, через каждого человека все время проходят миллиарды нейтрино — это результат естественной радиации Земли, Солнца, космических лучей. Они никак не влияют на наш организм, не инициируют в нем никаких процессов.

Все эти свойства нейтрино имеют минусы и плюсы. Из-за того, что нейтрино настолько слабо вступают во взаимодействие, их очень сложно зарегистрировать, и работать можно только с большим потоком нейтрино — это один из минусов. Возле большого источника нейтрино (например, реактора на АЭС) должен работать большой детектор. Это сложные эксперименты, требующие большого объема материала и серьезной техники.

Но есть и плюс: так как нейтрино преодолевает любые преграды и его нельзя экранировать, мы можем изучать свойства источника нейтрино вне зависимости от расстояния, на котором он находится. Например, с помощью солнечных нейтрино исследуются процессы, происходящие на Солнце, причем это мониторинг центра нашей звезды в режиме реального времени. В результате экспериментов были зарегистрированы гео-нейтрино, и теперь ученые исследуют естественную радиоактивность Земли, а вскоре будут изучать происходящие в центре планеты процессы. Тот же принцип действует и в случае с ядерными реакторами: замеряя поток нейтрино, можно изучать процессы, которые там ­происходят.

А если, наоборот, вы знаете, чтó происходит в источнике нейтрино? И если речь идет о Солнце, но не о ядерных процессах, а о нейтрино более высоких энергий? У таких нейтрино длина свободного пробега относительно взаимодействия в веществе с энергией падает, и для нейтрино, например, с энергиями в 100 раз больше, чем масса протона, вещество становится не совсем прозрачным, то есть нейтрино все-таки с ним взаимодействует. Соответственно, немножко искажается поток этих нейтрино. Что же происходит? Представим следующий процесс. Космические лучи летят к Земле, взаимодействуют в атмосфере, в результате рождаются частицы второго или третьего поколения, которые распадаются за счет слабых процессов. Появляются энергичные нейтрино, они проходят через центр Земли, вступают в определенные реакции. Мы можем поставить детектор «на выходе», а потом сравнить поток вторичных и первичных нейтрино. Таким образом можно определить характеристики вещества Земли, то есть распределение плотных и неплотных компонентов внутри нее. В итоге получится своеобразный рентгеновский снимок или эхограмма нашей планеты.
Удивительные превращения
Таким образом, применений у нейтрино много, но для того, чтобы ими пользоваться, нужно разобраться в физике нейтрино и понять, как они взаимодействуют в различных случаях. Ученые довольно быстро пришли к забавному выводу: хотя нейтрино — самая простая частица в рамках Стандартной модели, участвующая только в слабых взаимодействиях, она таки не укладывается в эту Стандартную модель. С нейтрино связаны странные процессы, например, переход одного типа нейтрино в другой тип — так называемая нейтринная осцилляция. За исследования в этой области уже было присуждено несколько Нобелевских премий по физике.

Как это выглядит? У нас есть источник нейтрино, в котором мы зарегистрировали электрон, — и мы ждем, естественно, электронное нейтрино. Есть детектор, который, как и положено, регистрирует позитрон. Однако позитронов образуется гораздо меньше, чем можно было ожидать.

Подобные результаты получил американский физик Рэймонд Дэвис. В 1962 году он начал эксперименты по регистрации солнечных нейтрино. Первые данные появились только спустя 11 лет, а всего эксперимент продолжался около сорока лет. В итоге Р. Дэвис обнаружил дефицит солнечных нейтрино. Объяснений этому могло быть всего два: либо в физике Солнца что-то не так, либо глобально законы физики работают не так, как мы себе представляем.

Удивительным образом именно второе предположение было высказано еще до начала экспериментов Р. Дэвиса Бруно Понтекорво — итальянским физиком, который после войны переехал работать в Советский Союз, в Дубну. Именно он выдвинул гипотезу нейтринных осцилляций, то есть превращения нейтрино одного типа в другие. Это все объясняло: получалось, что на пути от центра Солнца часть электронных нейтрино превращались в мюонные, часть — в тау. Ловушка Р. Дэвиса, рассчитанная только на электронные нейтрино, поймать нейтрино двух других типов не могла. А способность нейтрино к осцилляции в свою очередь доказывала, что у них есть масса — потому что безмассовые частицы так себя вести не могут.

Аналогичный процесс происходит и с так называемыми атмосферными нейтрино — нейтрино от космических лучей: космические лучи взаимодействуют с атмосферой, рождаются нестабильные частицы, в слабых процессах появляются нейтрино и антинейтрино разных типов. С помощью детекторов подобные переходы также были зафиксированы.

Осцилляции нейтрино изучают и в лабораториях: с помощью ускорителя протонов получают нейтринный пучок, который направляется в детектор. Нейтрино взаимодействует с веществом детектора, регистрация появившегося в этом процессе лептона (электрона, мюона или тау) позволяет сделать однозначный вывод о типе нейтрино.

В ходе различных экспериментов ученые выяснили интересный факт: если передвигать детектор, изменяя расстояние от него до источника, то доля частиц, перешедших в мюонные и тау-нейтрино, будет изменяться по закону синуса и косинуса. Также эта доля зависит от энергии осцилляционного процесса. Превращение одного нейтрино в другое, вероятность регистрации соответствующего нейтрино зависят от расстояния L как P~sin² (Δm² L/E), L — расстояние между точками, где возникло электронное нейтрино и зарегистрировали мюонное нейтрино; Е — энергия нейтрино; Δm² — разница квадратов масс между массовыми состояниями, в основном участвующими в процессе (всего таких состояний три, но во многих конкретных процессах в основном участвуют два; именно разница квадратов их масс и входит в формулу).

Все эксперименты, которые мы знаем, описываются всего двумя разницами квадратов масс. Есть нейтрино электронное, нейтрино мюонное, тау-нейтрино; они смешиваются между собой; соответственно, есть три массовых состояния частиц и три разные массы: m1, m2, m3. Результаты измерений в рамках этой осцилляционной гипотезы определяются разницами квадратов масс: m1²-m2² или m2²-m3². Одна разница квадратов масс определяется экспериментами по исследованию солнечных или реакторных нейтрино, а вторая —разницей квадратов масс атмосферных и ускорительных нейтрино.

Это очень маленькие числа, но, зная две разницы квадратов масс, а самой массы не зная, вы тем не менее можете поставить нижние ограничения на массу нейтрино: масса одного нейтрино должна быть не меньше 0,05 эВxС², а другого — не меньше 0,008 эВxС².
Стерильное и загадочное
Казалось бы, уже можно говорить о массе нейтрино. Но не тут-то было: на сцену выходит стерильное нейтрино. Дело в том, что результаты некоторых экспериментов можно интерпретировать как осцилляции нейтрино, но там требуется другая разница квадратов масс — приблизительно 1 эВxС². Это совсем другое число. Три разницы квадратов масс с такими массами получить математически нельзя. Соответственно, результаты этих экспериментов нужно воспринимать либо как ошибку, либо как указание на нейтрино другой массы.

Если интерпретировать эти результаты как указание на некую новую физику, то они могли бы означать, что существует еще одно нейтрино. Это маленькая масса по сравнению с массами всех остальных частиц Стандартной модели, но все равно она такова, что для объяснения подобного явления трех нейтрино недостаточно. Поэтому было введено понятие так называемого стерильного нейтрино.
Справка
В 1995 году детектор LSND в национальной лаборатории Лос-Аламос (США) зафиксировал, что мюонные антинейтрино превращаются в электронные с чуть бóльшим темпом, чем ожидалось вследствие расчетов. Через 10 лет то же самое обнаружил детектор MiniBooNE (лаборатория «Фермилаб», США).

В 2018 году ученые этой же лаборатории опубликовали научную статью в Physical Review Letters — там сообщается, что обновленные данные эксперимента позволяют говорить о существовании стерильных нейтрино.
Как мы помним, электронное нейтрино возникает вместе с электроном, мюонное — вместе с мюоном, тау-нейтрино — вместе с тау. Но четвертого поколения нет, и стерильное нейтрино — это нейтрино, с которым не ассоциирована никакая заряженная частица.

Нейтрино оно называется потому, что выглядит так же, так же появляется в осцилляциях и так далее, а стерильным — потому что не участвует в калибровочных взаимодействиях Стандартной модели. Стерильные нейтрино смешиваются с «нашими», но не участвуют в слабых процессах, а в сильных — электромагнитных — тем более. А значит, проявление стерильного нейтрино выражается только в пропаже «обычных» нейтрино.

Сейчас в нашей стране проходят три эксперимента, цель которых — поиски стерильных нейтрино (все эти эксперименты поддерживаются Росатомом).

Первый эксперимент — DANSS, он проходит на Калининской атомной станции. В качестве источника нейтрино используется ядерный реактор одной из энергетических установок. Там стоит детектор, регистрирующий антинейтрино, приходящие из ядерного реактора.

Второй эксперимент — "Нейтрино‑4″. Он проводится в Димитровграде, на исследовательском реакторе.

Третий эксперимент — BEST, он проводится в Кабардино-Балкарии, в поселке Нейтрино, в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Там в качестве источника нейтрино выступает высокоинтенсивный искусственный источник — короткоживущий изотоп 51Cr. По результатам взаимодействия нейтрино с детектирующим веществом (галлий) судят о том, существуют стерильные нейтрино или нет. Результаты этого эксперимента ожидаются в течение полугода.
Цилиндрический детектор нейтрино-эксперимента, который проходит нa холмaх Дaйя-Бей, Китaй. Дaйя-Бэй построен для исследовaния осцилляции нейтрино
У первых двух экспериментов уже есть предварительные результаты. Второй прямо показывает существование стерильных нейтрино. В ходе первого прямых доказательств присутствия стерильных нейтрино обнаружено не было, но его результаты хорошо согласуются с существованием стерильных нейтрино — найдена некая новая аномалия. Приведу такое сравнение. Предположим, вы гуляете по саду и находите наклёванные яблоки. Вы смотрите на них и предполагаете, что их клевала птица определенного размера, с определенной формой клюва. Вы ставите силки на эту птицу. Однако на следующий день вы обнаруживаете, что следы на яблоках совсем другие — то есть вы по-прежнему уверены, что существует «вредитель», но не тот, которого вы ожидали.

Если экспериментальные и теоретические данные по количеству нейтрино расходятся, и мы выдвигаем гипотезу, что нейтрино электронного типа превращаются в стерильные, вероятность такого процесса зависит от расстояния и энергии по закону синуса. Передвигаем детектор на другое расстояние и снова измеряем нейтринный сигнал: если налицо нехватка нейтрино, то мы обнаружим ее, вне зависимости от того, правильно или неправильно изначально был предсказан поток нейтрино.

Передвижение детектора под реактором происходит, например, в ходе эксперимента DANSS: там расположена установка лифтового типа, и детектор перемещается вверх и вниз. А в эксперименте «Нейтрино‑4» детектор разъезжает по рельсам на специальной вагонетке.

Эксперименты по изучению нейтринных осцилляций, конечно, проводятся не только в России. В Китае, например, проходит реакторный нейтринный эксперимент Daya Bay. В международную коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран, в том числе из России. Там источниками антинейтрино служат шесть ядерных реакторов, а в трех залах, на расстояниях от 500 до 1800 метров от источников, расположены восемь антинейтринных детекторов.

Многие слышали об эксперименте, который проводится в Антарктике, в лаборатории IceCube. Глубоко подо льдом, на расстояниях от 1450 до 2450 метров, расположены тросы с прикрепленными к ним фотоумножителями. Как мы помним, только нейтрино могут пройти Землю насквозь, так что IceCube регистрирует нейтрино, пришедшие с северного ­полушария.

В японской подземной лаборатории находится детектор «Супер-Камиоканде» — там работал японский ученый Такааки Кадзита, получивший Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных ­осцилляций.

А в США в начале 2020-х годов планируется эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Там осцилляцию нейтрино будут изучать одновременно два детектора: ближний (в той же лаборатории «Фермилаб», где расположен ускоритель), и дальний, который будет находиться на расстоянии 1300 км.

Теоретические предсказания, касающиеся стерильных нейтрино, ученые пытаются уточнить уже на протяжении десятка лет, однако пока говорить о том, что какой-то эксперимент имеет стопроцентный успех, нельзя.

Тем не менее это и есть та новая физика, которая сейчас активно развивается. Вне зависимости от результатов всех экспериментов, о которых рассказано выше, мы сможем существенно расширить наши знания о мире и дополнить (или опровергнуть!) Стандартную модель.

Я считаю, что открытия новой экзотической частицы — ­стерильного нейтрино с описанными выше характеристиками — можно ожидать в ближайшее время.
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ #6_2019