«Ледяной кубик» отгадал нейтринную загадку

Ученые из нейтринной обсерватории Ice Cube сделали сенсационное открытие. Им удалось доказать, что нейтрино разных типов, обладающие высокими энергиями, тоже превращаются друг в друга. Прежде подобное считалось невозможным — полагали, что когда энергия этих частиц доходит до нескольких сотен ГэВ, поиски осцилляций теряют практический смысл.

Как мы помним, нейтрино бывают трех типов — электронные, мюонные и таонные. Но самое интересное заключается не в этом, а в том, что каждый сорт нейтрино может превращаться в другой, например, электронные — в мюонные и т. п. Этот процесс называется нейтринными осцилляциями. И, как и многие другие понятия в квантовой физике, долгое время эти осцилляции существовали лишь на бумаге, то есть в теории.

А, собственно говоря, зачем физикам вообще нужно было придумывать какие-то осцилляции? Дело в том, что еще во второй половине прошлого века ученые столкнулись с таким парадоксом, как проблема солнечных нейтрино. Коротко ее можно изложить так: всем известно, что в процессе солнечных ядерных реакций образуются электронные нейтрино. После этого их потоки разлетаются по Солнечной системе, в том числе и в направлении нашей планеты.

Так вот, измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1950-х годов, показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино, долетающих до Земли, приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы происходящие в недрах светила. Куда же деваются недостающие нейтрино после того, как их поток покинет свою «родную» звезду?

В том-то и дело, что деваться этим частицам в общем-то некуда. Они ведь практически не взаимодействуют ни с какой барионной материей (то есть материей, состоящей из протонов и нейтронов). Да и превращаться в другие частицы сами по себе они тоже не могут. Словом, эта загадка мучила ученых на протяжении полувека. Некоторые даже считали, что, возможно, стандартную солнечную модель нужно подкорректировать. Однако все оказалось куда проще и интереснее.

Еще в 1957 году отечественный физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво предположил, что нейтрино разных типов могут превращаться друг в друга. Однако достаточно долго ученые не могли подтвердить его гипотезу экспериментально. Тем не менее, в начале нынешнего века им все-таки удалось это сделать, хотя и не сразу.

В 2001 году в нейтринной обсерватории в Садбери в идущем от Солнца к Земле потоке были непосредственно зарегистрированы нейтрино всех трех типов. Более того, ученые доказали, что их в потоке столько, сколько и должно быть, исходя из расчетов. Выяснилось также и то, что только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме, так и в солнечном веществе.

Чуть позже, в 2010 году детектор эксперимента OPERA, что в Швейцарии, обнаружил осцилляции мюонных нейтрино в таонные (с выделением тау-лептона). И наконец, в прошлом году японский детектор Super-Kamiokande уловил превращение электронных нейтрино в мюонные. То есть теперь осцилляции из теоретической модели стали полноправным явлением природы, чье существование было доказано независимыми научными коллективами.

Тем не менее, нельзя сказать, что исследования этого замечательного явления закончились. Недавно на прошедшей в Киото (Япония) Международной конференции по физике нейтрино участники проекта Ice Cube объявили о том, что им удалось зафиксировать осцилляции высокоэнергетичных нейтрино. И это была сенсация — до сих пор все физики были уверены, что подобное невозможно. Предшествующие эксперименты однозначно показывали, что шансы на успешное наблюдение падают по мере увеличения энергии: когда она доходит до нескольких сотен ГэВ, поиски осцилляций теряют практический смысл.

Тем не менее, сотрудников нейтринной обсерватории Ice Cube, что расположена в Антарктиде на станции Амундсен-Скотт (США), похоже, это ничуть не смутило. Им ли не знать, что ничего принципиально невозможного не бывает — ведь долгое время сама идея антарктической мощной обсерватории воспринималась научным сообществом как нереальная! Однако в 2005 году Ice Cube (переводится как «Ледяной кубик») начала свою работу. Напомню, что Ice Cube расположена глубоко под антарктическим льдом. И там, на глубине от 1450 до <metricconverter productid="2450 метров" w:st="on">2450 метров</metricconverter>, проходят прочные «нити» с прикрепленными оптическими детекторами, иначе называемые фотоумножителями. Всего таковых на данный момент шестьдесят.

Принцип работы детекторов данной станции следующий: известно, что нейтрино хоть и свободно преодолевают слой льда, но в редких случаях все же взаимодействуют с ядрами атомов кислорода с образованием мюонов. Если последние движутся со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света, их перемещение сопровождается черенковским излучением (так называется свечение, вызываемое в прозрачной среде заряженной частицей, которая движется со скоростью, превышающей фазовую скорость распространения света в этой среде), которое затем обнаруживают фотоумножители.

Следует заметить, что оборудование обсерватории в основном настроено на регистрацию нейтрино, летящих к Земле от Солнца со сверхвысокими энергиями, превосходящими 1 000 ГэВ (интересно, что хоть сам «Ледяной кубик» находится в Южном полушарии нашей планеты, он регистрирует лишь те нейтрино, что приходят с северной небесной полусферы, то есть тех, что прошли Землю насквозь). Однако в центральной части детектирующего массива имеются «нити» с оптическими модулями, предназначенными для работы в диапазоне от нескольких десятков до нескольких сотен гигаэлектронвольт. Именно они и зафиксировали «переходы» атмосферных мюонных нейтрино с энергией 10-100 ГэВ в таонные.

Итак, получается, что и нейтрино, обладающие высокими энергиями, тоже могут осциллировать. Однако ученым из «Ледяного кубика» показалось мало одного сенсационного открытия. Теперь они планируют, добавив в обсерваторию соответствующие новые «нити» и оптические модули, обнаружить нейтринные осцилляции на энергиях менее 10 ГэВ. А эти новые данные, как надеются физики, позволят лучше исследовать эффекты взаимодействия нейтрино с веществом, которые должны изменять характер осцилляций.

Антон Евсеев