Нейтринные осцилляции

Сообщение №7747 от Alexander 28 декабря 2001 г. 16:49
Тема: Нейтринные осцилляции

В поисках массы

Еще в 1998 году международной ассоциацией ученых - участников эксперимента Супер-Камиоканде (Япония) было заявлено о регистрации явлений, похожих на нейтринные осцилляции (от лат. oscillatio - качание, в ядерной физике означает переход или превращение элементарной частицы из одного своего вида в другой и обратно), что может означать наличие у нейтрино массы покоя.

Подтверждение этого факта станет подлинной сенсацией, поскольку обнаружение у нейтрино даже ничтожной массы откроет новую эру в изучении микромира, истории развития Вселенной, потребует существенного пересмотра наших представлений о физике элементарных частиц и даже так называемой Стандартной модели материи. Согласно этой модели нейтрино является незаряженной частицей с нулевой массой покоя, из чего как раз и следует невозможность осцилляций, т.е., перехода одного типа нейтрино в другой. Осцилляция относится к квантово-механическим явлениям. В квантовой механике различные виды нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино), в ядерной физике называемые "ароматами", могут быть представлены в виде волновых пакетов различной массы, распространяющихся вдоль траектории движения частиц. Из-за разности масс через некоторое время разность фаз этих двух волн изменится. В результате в потоке, первоначально состоящем только из мюонных нейтрино, может возникнуть примесь тау-нейтрино. Таким образом, задача экспериментального подтверждения осцилляции сводится к прецизионному определению числа нейтрино определенного типа в потоке, проходящем через две различные точки пространства. Если, к примеру, из точки А в точку B движется поток, содержащий 100 частиц, то при отсутствии осцилляции все 100 частиц должны быть зарегистрированы и в точке B. Если точке B количество нейтрино данного типа изменится, это будет свидетельствовать о существовании осцилляции нейтрино. Термоядерные реакции в центре Солнца порождают огромное количество электронных нейтрино. Согласно расчетам на поверхность Земли должен приходиться поток нейтрино в 60 миллиардов частиц/кв.см. Экспериментально установленная интенсивность потока нейтрино оказывается значительно меньше предсказанной теоретически. Это явление получило название дефицита солнечных нейтрино. По данным экспериментов (Супер-Камиоканде, SAGE) количество зарегистрированных нейтрино оказалось в два раза меньше предсказанного теорией. Феномен осцилляции мог бы этот дефицит объяснить.

Одновременно явление, напоминающее нейтринные осцилляции, было зарегистрировано при проведении другого эксперимента - MACRO в Гран-Сассо, в ходе которого применялась другая методика. Вместе с тем, как и в эксперименте Супер-Камиоканде, предметом исследования были мюоны, прошедшие сквозь толщу Земли и попадающие в детектор "снизу". Результаты эксперимента позволяют полагать, что наблюдаемые события (образование лептонов) могли быть вызваны только мюонными нейтрино, возникшими в атмосфере на противоположной стороне Земного шара. Поскольку сами мюоны не могут преодолеть толщу Земного шара и достигнуть детектора то логично предположить, что мюоны, зарегистрированные детектором, были образованы непосредственно рядом с ним в результате взаимодействия мюонных нейтрино с ядрами атомов.

При отсутствии осцилляции количество зарегистрированных мюонов (являющихся результатом взаимодействия близлежащих частиц с соответствующим видом нейтрино) должно быть одинаковым независимо от направления их входа в детектор. При наличии же осцилляции число зарегистрированных мюонов должно быть меньше с тех направлений, где нейтрино приходилось преодолевать больший путь. Именно этот эффект и наблюдался в ходе обоих экспериментов. Кроме того, установленные в ходе эксперимента Супер-Камиоканде зависимости числа зарегистрированных мюонов от энергии и угла входа в детектор соответствуют картине, описываемой теорией осцилляции.

Можем ли мы с уверенностью заявить, что осцилляция обнаружена, нейтрино имеет массу, и мы переступили порог, отделяющий нас от "новой" физики? Пока ученые не готовы утвердительно ответить на этот вопрос. Дело в том, что как в случае с солнечными, так и с атмосферными нейтрино, мы вынуждены полагаться на теоретические расчеты потоков нейтрино, порождаемых различными источниками, сравнивая эти расчеты с экспериментальными данными. История науки свидетельствует о том, что даже кажущиеся самыми надежными расчеты необходимо проверять экспериментально. Именно поэтому необходимо было провести осцилляционного эксперимента на ускорителе, в котором состав созданного человеком мощного потока нейтрино будет определен с высокой точностью.

С развитием ускорителей, позволяющих получать интенсивные потоки частиц высоких энергий, и новых технологий регистрации, появилась возможность провести такой эксперимент. Решено провести эксперименты независимо в США и Европе с использованием двух самых мощных ускорительных лабораторий в мире: Лаборатории Ферми близ Чикаго, и Европейского центра ядерных исследований (CERN). В обоих случаях поток искусственных нейтрино будет создаваться путем бомбардировки мишени протонами высокой энергии.

Поток нейтрино, проходя через слои железа и земли, будет очищаться от мюонов и уже через 800 метров будет представлять собою чистый поток мюонных нейтрино с ничтожно малой (и контролируемой) примесью электронных нейтрино. Нейтрино, формируемые Лабораторией Ферми, будут направлены в подземную приемную станцию, расположенную в Судане (штат Миннесота), а из ускорителя CERN - в лабораторию Гран-Сассо в Италии, расположенную в 100 км от Рима. В обоих случаях расстояние между источником нейтрино (ускорителем) и детектором составит 730 км. Эксперимент MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search) начнется на два года раньше европейского, что ничуть не умаляет важность последнего. Дело в том, что в этих экспериментах используются разные подходы, дополняющие друг друга и повышающие надежность получаемых результатов.

В эксперименте MINOS будут использованы два огромных детектора - ближний и дальний. Ближний детектор будет расположен непосредственно на выходе ускорителя и предназначен для определения состава потока нейтрино. Дальний детектор будет регистрировать этот пучок после 730-километрового путешествия. Если нейтрино осциллируют на своем пути, то в дальнем детекторе будет зарегистрировано мюонного нейтрино меньше, чем в ближнем.

Детекторы состоят из стальных дисков диаметром 8 метров и толщиной 2,5 см, чередующихся с пластинами, сделанными из сцинтиллятора - вещества, в котором возникают крохотные вспышки света при прохождении через них ионизирующего излучения. Эти вспышки превращаются в электрический сигнал и усиливаются с помощью специальных устройств - фотоэлектрических умножителей. Длина дальнего детектора составляет около 50 м, а общая масса - около 8000 т! Ближний детектор имеет приблизительно вдвое меньшие размеры. Оба детектора помещены в мощное внешнее магнитное поле, отклоняющее заряженные мюоны от их первоначальной траектории, что позволяет определять импульс частиц по кривизне их траектории. Полученные данные будут передаваться в мощные современные компьютеры и обрабатываться ими, а синхронизация работы ускорителя и детектора будет осуществляться через спутник-ретранслятор.

Поток нейтрино из Лаборатории Ферми в Судан Миннесоту составит около 10 19 нейтрино в год. Так как вероятность взаимодействия нейтрино с веществом исключительно мала, то даже при таком интенсивном потоке в дальнем детекторе будет зарегистрировано не более 20000 событий в год. Этого будет вполне достаточно не только для того, чтобы надежно подтвердить или опровергнуть предположение эксперимента Супер-Камиоканде, но и измерить разницу масс различных типов нейтрино (при установлении факта наличия у них массы). В проекте, стоимость которого превышает 100 млн. долл., участвуют физики и инженеры из США, Великобритании, России и Китая. Регистрация первых нейтринных событий намечена на конец 2003 года.

На реализацию программы CERN выделено около 100 млн. швейцарских франков. В эксперименте принимают участие ученые из Италии, Швейцарии, Франции и России. В отличие от эксперимента MINOS в данном случае предполагается прямая регистрация наличия тау-нейтрино , возникших в потоке мюонных нейтрино m по причине осцилляции. (Напомним, что данные эксперимента Супер-Камиоканде указывают на то, что осциллируют именно мюонные нейтрино). Для регистрации предполагается использовать 5000 тонн сжиженного аргона, в котором по специальной методике будут восстанавливаться следы прошедших через аргон частиц. В другом эксперименте для этой цели предусматривается использовать несколько тысяч тонн специальной фотоэмульсии, в которой частицы, образованные в результате взаимодействия с ядрами атомов, будут оставлять след на фотоэмульсии. Начало эксперимента в Гран-Сассо намечено на май 2005 г., когда будет закончена подготовка оборудования CERN и лаборатории Гран-Сассо.

Многие астрофизики предполагают, что наша Вселенная непрерывно расширяется. Будет ли этот процесс продолжаться до бесконечности или Вселенная остановится и начнет сжиматься? В доступной контролю человека части Вселенной на один протон приходится примерно 1 миллиард нейтрино и поэтому, даже если их масса ничтожно мала, эти частицы могут составлять основу так называемой скрытой массы Вселенной и поменять тенденцию ее поведения от расширения к сжатию. Благодаря своей уникальной особенности преодолевать огромные расстояния не взаимодействуя с материей, нейтрино могут являться носителями неискаженной информации о далеких галактиках, а точное знание их физических характеристик позволит пролить свет на историю зарождения Вселенной, которая началась по предположениям ученых 15 миллиардов лет назад.

С открытием тау-нейтрино Стандартная модель получила еще одно блестящее подтверждение. Поэтому может показаться странной все более укрепляющаяся уверенность физиков-ядерщиков в том, что существующая модель материи не полна и не самодостаточна, что она не может служить основой для объединения (т.н. великое объединение) четырех известных на сегодня видов взаимодействия материальных частиц - сильного, слабого, гравитационного и электромагнитного. И дело тут не в недовольстве существующим положением вещей, а в том, что Стандартная модель, убедительно отвечая на многочисленные вопросы "как", оставляет открытыми ряд фундаментальных вопросы "почему". Например, почему протон является стабильной частицей в то время как все остальные адроны распадаются? Почему в семействе "электрон, мюон, тау-лептон" только первый стабилен? Почему, в конце концов, все описанные выше "кирпичики" Вселенной обладают массой покоя и только нейтрино, согласно Стандартной модели, таковой не имеют? Именно вопрос о массе нейтрино многими учеными признается наиболее актуальным, ибо для успеха теории т.н. великого объединения масса нейтрино должна быть хоть и микроскопическая, но ненулевой.

Александр Молодцов, xTerra

В поисках массы


Отклики на это сообщение:

Специалистами Нейтринной обсерватории Садбери (СНО, Sudbury Neutrino Observatory [SNO]), расположенной на территории Канады, были получены убедительные доказательства того, что на пути от Солнца к Земле нейтрино переходят из поколения в поколение. Таким образом, подтверждаются данные прошлогоднего эксперимента, в котором были впервые обнаружены подобные нейтринные осцилляции. Этот результат позволит ученым установить свойства нейтрино, их роль в Стандартной модели элементарных частиц, - с большей достоверностью.

Суть проблемы состоит в том, что расчет реакций, происходящих на Солнце, говорит о том, что в результате образуются нейтрино первого поколения, т.е. электронные нейтрино. Однако, измерения, впервые проведенные Р. Дэвисом, указывали на существенный недостаток электронных нейтрино. Эксперименты в других нейтронных обсерваториях подтверждали результаты Дэвиса. Так называемая "проблема солнечных нейтрино", могла быть решена, если принять гипотезу о нейтринных осцилляциях, выдвинутую еще в 1957 г. Б. Понтекорво. По этой гипотезе нейтрино разных поколений (электронной, мюонное и тау-нейтрино) могут переходить друг в друга.

Новые результаты, по словам руководителя проекта Арта Макдональда (Art McDonald) из Королевского университета Канады (Queen's Univeristy), "просто, четко и ясно свидетельствуют о превращении нейтрино в нейтрино другого поколения." Результаты регистрации нейтрино, по его словам, оказались в прекрасном соответствии с расчетами внутрисолнечных реакций, выполненными в предположении существования нейтринных осцилляций.

Оцененная в 99.9% достоверность результатов 2001 года была превзойдена, поскольку сбор всех новых данных проводился в одном эксперименте в Садберийской нейтринной обсерватории. В прошлом году об открытии нейтринных осцилляций было заявлено в результате совместной обработки данных, собранных самой СНО и коллаборацией Супер-Камиоканде в Японии. "Когда бы ни пытались Вы строить заключение по данным двух экспериментов, Вам в два раза сложнее быть уверенным в том, что Вы понимаете, что происходит," - сказал представитель СНО в Великобритании Дейв Варк (Dave Wark) из университета графства Сассекс.

Многие физики полагают, что открытие в 2001 году явления нейтринных осцилляций подтверждает открытие наличия малой массы у нейтрино, сделанное в 1998 году в коллаборации Супер-Камиоканде. Напомним, что до этого нейтрино считались безмассовыми частицами. По результатам эксперимента была написана статья, посланная в журнал Physical Review Letters.

Автор: Кейти Пенникотт (Katie Pennicott), редактор PhysicsWeb
Источник: PhysicsWeb от 22 апреля 2002

P.S. На фотографии изображено дно ёмкости с тяжелой водой, в которой с помощью Черенковского излучения регистрируются частицы.

P.P.S. Экспериментальный комплекс SNO: http://www.sno.phy.queensu.ca/

Новые свидетельства нейтринных осцилляций


Физика в анимациях - Купить диск - Тесты по физике - Графики on-line

Реклама:
Rambler's Top100