В нейтринной физике произошли важные события

На прошлой неделе произошло как минимум три важных события в нейтринной физике, привлекших к себе большое внимание ученых и СМИ. Земля прошла сквозь нейтринный шторм, обнаружены геонейтрино и заработала крупнейшая нейтринная установка.

Нейтринный фейерверк

Исследователи, работающие на нейтринном детекторе IceCube, расположенном близ Южного полюса и представляющем собой кубический километр льда, сообщили о необычайно сильном с энергетической точки зрения нейтринном ветре, дующем на нашу планету, точнее, на Солнечную систему. Среди полусотни уловленных ими галактических гостей им удалось зарегистрировать нейтрино, несшееся с невиданной прежде энергией, оцененной в 5000-10000 триллионов электронвольт. На Большом адронном коллайдере частицы разгоняются до энергий примерно в тысячу раз меньше.

Что за дьявольский катаклизм породил этот сумасшедший нейтринный ураган, остается только гадать. Это может оказаться приветом от далекой Сверхновой, отрыжкой черной дыры или еще чем-то, о чем мы пока даже и представления не имеем. Физики нейтринной обсерватории IceCube утверждают, что по трекам частиц, рождающихся при столкновении нейтрино с атомом, они способны вычислить направление на источник с точностью до полуградуса, поэтому будем надеяться, что люди с телескопами разберутся с этим вопросом.

Кроме того, в Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми (в просторечии «Фермилаб») на запущенной в феврале прошлого года установке NOvA (Neutrinos from the Main Injector Off-Axis Electron Neutrino Appearance) физики зарегистрировали осцилляцию нейтрино в пучке, прошедшем около 800 километров от нейтринной пушки в Батавии, штат Иллинойс, где расположена лаборатория Ферми, до детектора в Минесотте близ реки Эш-ривер. Практически одновременно из итальянской нейтринной обсерватории Гран-Сассо сообщилиоб уверенной регистрации так называемых геонейтрино, то есть нейтрино, рождающихся в недрах планеты, что открывает нам возможность лоцировать все основные залежи радиоактивных изотопов, хранящихся там.

Нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде

Фото: Wikipedia

Спорткар, который велосипед

Нейтрино, теоретически предсказанное Вольфгангом Паули еще в 1930-м году и вскоре получившее от Энрико Ферми свое итальянское имя — «маленький нейтрон» — до сих пор остается одной из самых загадочных и популярных у физиков элементарных частиц. Поначалу постулировалось (и, кстати, постулируется до сих пор Стандартной моделью, о чем речь ниже), что эта частица, как и фотон, лишена массы. Потом выяснилось, что масса все-таки есть, но чрезвычайно маленькая, да вдобавок имеются три разновидности этой частицы, друг от друга отличающихся своим «ароматом» — тау-нейтрино, электронное и мюонное, названных так, поскольку они рождаются в распадах с участием, соответственно, тау-лептонов, электронов и мюонов. И все они отличаются друг от друга массой покоя. Нейтрино — самая распространенная элементарная частица в мире нормальной (не темной) материи. Можно сказать, что наш мир состоит из нейтрино, ну, и небольшого количества всех остальных частиц. Нейтрино перемещаются со скоростью, очень близкой к световой, участвуют только в слабом взаимодействии с радиусом действия не больше радиуса протона, поэтому они практически не общаются с другими элементарными частицами, мгновенно пронизывая все препятствия.

Позднее нейтрино преподнесло физикам еще один сюрприз — осцилляции. Оказалось, что по ходу движения нейтрино вдруг меняет свой аромат и превращается в нейтрино другого типа. С точки зрения здравого смысла это полный абсурд — выезжает на трек «Формулы 1» спортивный болид, вдруг превращается в велосипед или автобус и возвращается в исходное состояние, но уже без всякой надежды на подиум и шампанское. Однако в микромире своя логика, там действуют законы квантовой механики.

Главный излучатель нейтрино в «Фермилаб»

Фото: Fermi National Accelerator Laboratory

Эти самые давно открытые осцилляции и были обнаружены в «Фермилабе». На некоторых установках, в частности, в Гран-Сассо, их уже наблюдали, восторг был в другом. NOvA — самая дорогая и совершенная нейтринная установка в мире с рекордным по плотности и мощности нейтринным пучком. Ее строили почти десять лет. Физики возлагают на нее большие надежды, и первый, можно сказать, пробный эксперимент показал, что работает установка корректно.

Состоит NOvA из пушки — ускорителя, создающего направленный нейтринный поток, первого детектора, находящегося поблизости и выполняющего роль ОТК, удостоверяющего, что все пролетающие нейтрино имеют мюонный аромат, а также второго детектора, в Миннесотте, — он ловит некоторые из преодолевших 800-километровую дистанцию нейтрино и определяет, чем они «пахнут».

Из триллионов и триллионов выпущенных мюонных нейтрино вторым детектором в эксперименте было зарегистрировано лишь 33, зато с полной гарантией, что это именно те нейтрино, которые при рождении были мюонными, а не какие-нибудь залетные частицы без проездного. Из тридцати трех восемь частиц превратились в электронные нейтрино, 24 — в тау-нейтрино и лишь одна сохранила мюонный аромат, данный ей от рождения.

Следы пролета шести электронных нейтрино в детекторе NOvA

Изображение: The NOvA Neutrino Experiment на Facebook

Эйфория, охватившая фермилабовцев, объясняется тем, что результат совпал с их предсказаниями, причем с такой точностью, на которую они даже и не надеялись. Значит, есть все шансы на то, что NOvA разрешит хотя бы часть тайн, до сих пор окутывающих «маленький нейтрон», и поможет узнать о мире то, чего мы пока не знаем.

Из-под земли

Третья новость — о нейтринных потоках куда менее многочисленных и энергичных. О своих, не понаехавших, нейтрино, рожденных прямо тут, в родной Земле. Их с некоторых пор называют геонейтрино.

Геонейтрино — это предсказанные еще Бруно Понтекорво электронные антинейтрино, образующиеся в результате распадов урана и тория, а также калия-40 и рубидия-87, присутствующих в коре и мантии Земли. Предполагается, что тепло, выделяющееся в этих ядерных реакциях, в значительной, если не в полной мере определяет степень нагрева недр нашей планеты, вызывает конвективные потоки в жидкой земной мантии, определяя сейсмическую активность земной коры и обеспечивая планету собственным магнитным полем. А это, между прочим, необходимое условие для возникновения жизни, в том числе и нашей.

Первые экспериментальные подтверждения существования геонейтрино были получены в 2005 году японской нейтринной обсерваторией KamLand. Но дальше у японских физиков дело пошло не так хорошо из-за расположенных поблизости атомных станций, тоже излучающих похожие нейтрино, которые сильно заглушали идущий из недр весьма слабый сигнал.

Однако есть еще одна нейтринная установка, способная этот сигнал улавливать — итальянская нейтринная обсерватория «Борексино», расположенная под горным массивом Гран-Сассо. До ближайшей АЭС не меньше тысячи километров, так что шумовой фон там на два порядка ниже, чем в Японии. Данные, полученные в Италии еще до 2010 года, позволили уверенно говорить о том, что геонейтрино существуют, однако статистики не хватало.

Нейтринный детектор в Борексино

Фото: borex.lngs.infn.it

Развязка наступила на прошлой неделе: суммировав данные, полученные за 2056 дней наблюдений, международная коллаборация «Борексино» (куда, в частности, входит и Россия) опубликовала в журнале Physical Review D статью. Существование геонейтрино подтверждено со статистической значимостью в 5,9 сигм (то есть с одним шансом на ошибку из 275 миллионов). Стандартные критерии в физике, например, при открытии новой частицы требуют значимости всего в пять сигм.

Как и в случае с «Фермилабом», результаты «Борексино» означают лишь начало исследований. Сейчас с большой вероятностью установлено, что основные источники геонейтрино находятся не в земной коре, а в мантии, однако для того, чтобы понять, где именно они расположены, японской и итальянской установок недостаточно, надо посмотреть и с других точек. В будущем ожидается ввод в действие новых детекторов геонейтрино — в Канаде, Финляндии, США, а также в России, в Баксанской нейтринной обсерватории.

Конфликт с моделью

Лаборатория в Гран Сассо

Фото: Zakład Doświadczalnej Fizyki Komputerowej

Нейтринный фестиваль прошлой недели — всего лишь страница из многотомника, посвященного таинственному и трудноуловимому маленькому нейтрону. К нейтрино остается еще много вопросов. Главный из них — отношения нейтрино со Стандартной моделью.

Исследователи за последние пару веков открыли пять видов взаимодействий — электрическое, магнитное, слабое, сильное и гравитационное. В позапрошлом веке Максвелл объединил электричество с магнетизмом, в прошлом веке Стивен Вайнберг, Абдус Салам и Шелдон Глэшоу доказали, что электромагнетизм и слабое взаимодействие — одно и то же, только в разных ракурсах. Затем, благодаря трудам уже целой когорты теоретиков, удалось присоединить к этой компании и квантовую хромодинамику, то есть теорию о сильном взаимодействии. Это было сделано настолько изящно и убедительно с теоретической точки зрения, что мировое физическое сообщество восприняло данный результат поначалу за истину в последней инстанции (точнее, в предпоследней, поскольку гравитацию к этой великолепной четверке пока не присоединили), не дожидаясь экспериментального подтверждения. Всю эту конструкцию осторожно назвали Стандартной моделью, а модель на языке физики означает устройство мира, теоретически возможное, ничему не противоречащее, но необязательно существующее в реальности именно в таком виде.

Фрагмент установки NOvA

Изображение: The NOvA Neutrino Experiment на Facebook

Стандартная модель идеально объясняла все эффекты микромира, и ее триумфом стало открытие обязательного для нее бозона Хиггса на Большом адронном коллайдере. Однако постепенно накапливались нестыковки, вынуждающие теоретиков производить все новые и новые апгрейды Модели, причем все с большим и большим трудом. На сегодня главные претензии к этой изумительной теоретической конструкции, помимо того, что она в принципе не учитывает гравитационного взаимодействия, — отсутствие в ней всякого упоминания о темной материи и темной энергии, а также неприличное поведение главного героя этой статьи — нейтрино. С точки зрения Стандартной модели нейтрино должны не иметь массы и уж тем более не осциллировать.

Как разрешится этот конфликт, покажет будущее. Возможно, стороны придут к соглашению. Или Стандартной модели придется уступить место Новой физике — теории, еще не созданной, но о которой мечтают многие теоретики.