Отримано перші натяки на ефект Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна при русі нейтрино крізь Землю • Ігор Іванов • Новини науки на "Елементи" • Фізика

Отримано перші натяки на ефект Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна при русі нейтрино крізь Землю

Мал. 1. Нейтринний детектор Super-Kamiokande – величезний підземний бак, заповнений водою, в якій пролітають нейтрино зрідка вибивають електрони і спричинюють спалахи світла. Ці спалахи реєструються тисячами фотопомножувачів, якими усіяні стінки бака, і з цього відгуку відновлюється енергія і напрям приходу нейтрино. Зображення з сайту physics.aps.org

Колаборація Super-Kamiokande, що працює на однойменному детекторі нейтрино, повідомляє, що в даних, накопичених за 18 років роботи, починає проступати ефект Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна, викликаний проходженням нейтрино крізь товщу Землі. До сих пір цей теоретично передбачений ефект перевірявся тільки побічно; новий результат являє собою першу пряму його перевірку.

Нейтрино фізика

Нейтрино фізика в останні роки на підйомі. Нейтрино – абсолютно особливі об'єкти, несхожі на інші частинки. Можна навіть сказати, що властивості нейтрино – їх мізерні, але ненульові маси, їх сильні осциляції і інші їх характеристики – виходять за межі Стандартної моделі фізики елементарних частинок. Правда, поки що залишається незрозумілим, куди саме вони виходять, на які саме нові теорії вони натякають.Тому, ретельно вивчаючи нейтрино, фізики сподіваються помітити щось, що вони вже давно і безрезультатно шукають на коллайдерах високих енергій.

Реєструвати нейтрино дуже важко. Однак в розпорядженні фізиків є дуже інтенсивні джерела нейтрино, як природні (Сонце, космічні промені, природна радіоактивність), так і штучні (ядерні реактори, пучки нестабільних частинок). Множення незначною ймовірності реєстрації кожного окремого нейтрино на величезний нейтринний потік призводить врешті-решт до невеликого, але цілком надійно відслідковувати темпу реєстрації нейтрино подій. Детектори нейтрино, яких в усьому світі вже десятки, накопичують статистику роками, а потім фізики, обробивши її, вимірюють різноманітні характеристики нейтрино.

Про активність цієї теми свідчить той факт, що практично щорічно фізики відкривають для себе якусь нову сторону нейтронних властивостей. Днями в журналі Physical Review Letters вийшла стаття з ще одним експериментальним результатом. Колаборація Super-Kamiokande, що працює на однойменному японському нейтринном детекторі, повідомляє, що їй вперше вдалося безпосередньо зареєструвати вплив речовини на властивості нейтронних осциляцій – так званий ефект Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна.По правді кажучи, цей теоретично передбачений ефект вже вважається експериментально доведеним. Однак його підтвердження досі було непрямим – через вплив сонячних глибин на властивості народжених в центрі Сонця нейтрино. Зараз Super-Kamiokande повідомляє про те, що цей ефект починає проявлятися і при проходженні нейтрино крізь товщу Землі. Детектор бачить, що потоки сонячних нейтрино, що потрапляють в детектор вдень і вночі, помітно різняться, що і свідчить про вплив земного речовини на рух нейтрино.

Осциляції нейтрино і МСВ-ефект

Розповідь про цю роботу слід розпочати з пояснення, що таке осциляції нейтрино (див. Також добірку вступних матеріалів по нейтринної фізики). Фізикам відомі три сорти нейтрино – електронне, мюонне і тау-нейтрино. Вони все нейтральні і володіють деякими іншими однаковими властивостями, тому їх можна змішувати один з одним. Кожне конкретне нейтрино не повинно бути строго електронним або строго мюонним, а може існувати у вигляді їх комбінації: частково електронне, почасти мюонне. Така можливість – неминучий наслідок квантової механіки.Виявляється, це не просто гіпотетична можливість; нейтрино справді поводяться саме так. Більш того, частка електронного або мюонного нейтрино не фіксована, а змінюється під час руху. Те, що народилося в розпаді нестабільної частки як чисто мюонне нейтрино, по ходу руху набуває деяку частку "Електрон", а на ще більшій відстані воно знову може стати мюонним, і т. Д. Таке періодична зміна сорту нейтрино при їх русі і називається нейтрино осцилляциями (рис. 2).

Мал. 2. Ілюстрація ідеї нейтронних осциляцій. Дві хвилі з різною частотою зображують два типи нейтрино різної маси. Залежно від того, складаються вони в фазі або в протифазі, сумарний ефект сприймається як електронне або як мюонне нейтрино. Зображення з сайту physicsworld.com

Осциляції нейтрино – факт, експериментально підтверджений на численних нейтронних детекторах. Фундаментальна причина осциляцій – в розбалансування мас і сортів нейтрино. Нейтрино певної маси не володіє якимось певним сортом. І навпаки, нейтрино певного сорту (наприклад, з дистанційним управлінням), не володіє певною масою.А ось звідки у властивостях нейтрино взялася така розбалансування – достеменно не відомо, це одна з головних загадок нейтрино.

У новій статті колаборації Super-Kamiokande мова йде не просто про осциляція нейтрино, а про те, як на них впливає товща Землі. Це явище вже більш тонке, і називається воно ефектом Міхєєва-Смирнова-Вольфенштейна (МСВ). МСВ-ефект – це додаткові осциляції, які відчувають нейтрино при русі крізь щільне речовина. Це чимось нагадує те, що відбувається зі світлом, коли він летить в прозорому середовищі. Світло взаємодіє з атомами середовища, і ця взаємодія змінює властивості світлової хвилі – вона рухається повільніше. Нейтрино в речовині поводиться аналогічно: воно взаємодіє з електронами речовини, і це злегка змінює його швидкість. Цей ефект працює по-різному для електронних і мюонних нейтрино (все-таки в речовині у нас є електрони, а не мюони!), А значить, він модифікує і осциляції між нейтрино різного ґатунку: змінюється довжина осциляцій і їх інтенсивність.

Це найпростіший різновид МСВ-ефекту, що відноситься до руху нейтрино крізь середу постійної щільності; саме вона була описана Вольфенштейна в його роботі 1978 року.Для опису руху нейтрино крізь Землю цього ефекту досить. Друга, більш цікава і більш важлива версія цього ефекту – це різке посилення осциляцій в середовищі з плавно змінюється щільністю. Такі умови існують усередині Сонця: нейтрино, народжене в сонячних глибинах, виходить назовні і проходить через всю товщу сонячної речовини з поступово зменшується щільністю. Цей ефект описали в 1986 році Міхєєв і Смирнов, і саме він виявився ключовим моментом у вирішенні загадки сонячних нейтрино.

"Сонячна" версія МСВ-ефекту була, фактично, підтверджено на початку 2000-х років. Фізики тоді змогли нарешті виміряти потоки всіх типів нейтрино, що летять від Сонця, і переконалися, що результати сходяться з теорією. Однак це підтвердження, звичайно, є непрямим. Сонце нам дано в єдиному екземплярі; ми не можемо поставити контрольний експеримент – прибрати всі верстви Сонця, крім самого центрального, і перевірити, як зміниться потік нейтрино.

Пряму перевірку МСВ-ефекту може дати Земля – ​​досить порівняти потік сонячних нейтрино, які потрапляють в установку вдень і вночі.Денні нейтрино потрапляють в детектор відразу з міжпланетного простору (тонка земна атмосфера не береться до уваги), а нічні проходять спочатку тисячі кілометрів крізь земну товщу, перш ніж досягнуть детектора (рис. 3). Кількість нейтрино, що падають на Землю, в обох випадках однаково, але нічні нейтрино мають додатковий шанс перетворитися з мюонних в електронні. А оскільки детектор Super-Kamiokande реєструє переважно електронні нейтрино, він повинен побачити посилення нічного потоку нейтрино в порівнянні з денним.

Мал. 3. Потік нейтрино, реєстрований детектором, може відрізнятися вдень і вночі через те, що під час руху нейтрино крізь Землю їх сорт змінюється за рахунок МСВ-ефекту. тут кольоровими стрілками показані нейтрино різного ґатунку; яскравість стрілок позначає інтенсивність потоку відповідних нейтрино. Зображені тут зміни посилені для наочності

Теорія передбачає, що для нейтрино з енергією декілька МеВ ефект повинен вийти невеликим, для описуваної ситуації він становить приблизно 3,3%. Отже, для його виявлення потрібно накопичити досить велику статистику нейтронних влучень, інакше невелика відмінність просто буде непомітним на тлі статистичних флуктуацій.А оскільки нейтрино – важковловимий частки, не дивно, що до сих пір цей ефект не виявлявся.

Результат Super-Kamiokande

Колаборація Super-Kamiokande початку вимірювати різницю між денним і нічним потоком досить давно. Так, в їхній статті 2004 року наводяться такі результати: нічний потік перевищує денний на (1,8 ± 1,6 ± 1,2)%, де дві зазначених невизначеності відповідають статистичної та систематичної похибок. Ясно, що такий результат ні в якій мірі не є свідченням на користь реальності шуканого ефекту – адже нульовий результат теж цілком узгоджується з цим числом.

У міру накопичення даних і вдосконалення методики похибка зменшувалася, а ефект не зникав. В опублікованій днями статті колаборація призводить результат, отриманий вже з даних за 18-річний період роботи. Різниця між нічним і денним потоками становить зараз (3,2 ± 1,1 ± 0,5)%. При об'єднанні цього результату з даними іншого нейтринного детектора, SNO, різниця потоків стає ще чіткіше: (2,9 ± 1,0)%. Це число вже практично дотягує до величини в три стандартних відхилення – тієї межі, за якою фізики вже серйозно говорять про вказівку на наявність ефекту.

Таким чином, МСВ-ефект, як видно, став нарешті видно безпосередньо, а не тільки побічно. Втім, остаточне відкриття буде оголошено тільки тоді, коли статистична значимість ефекту досягне 5 стандартних відхилень. Для цього буде потрібно або ще одне десятиліття набору даних, або істотне збільшення розмірів детектора. Такі плани у японської групи вже є. У найближчі роки почнеться реалізація проекту Hyper-Kamiokande, який повинен як мінімум на порядок поліпшити чутливість детектора до сверхредкім процесам, включаючи реєстрацію нейтрино. Коли він буде побудований, він за лічені місяці перевищить нинішній результат.

Останній момент, який корисно підкреслити: навіщо фізики прагнуть виміряти різницю нейтронних потоків вдень і вночі, якщо все і так цілком сходиться з теорією. Справа в тому, що ця різниця залежить від властивостей нейтрино, а самі ці властивості відомі набагато гірше, ніж властивості інших частинок. Це пов'язано як з труднощами реєстрації нейтрино, так і з їх несхожістю на інші частинки. Нейтрино в мільярди разів легше інших частинок, і ніхто не знає, чому; втім, більшість фізиків підозрює, що механізм набуття маси у нейтрино зовсім інший, нехіггсовскій.Нейтрино змішуються один з одним, але їх параметри змішування відомі з великими похибками. Нарешті, зовсім невідомо, чи порушується CP-симетрія в нейтронних процесах – відповідна величина поки не піддається виміру. Фізики відчувають, що нейтрино могли б їм розповісти багато цікавого, і тому намагаються всіма способами уточнити їх параметри. Точне вимірювання різниці між денним і нічним потоками сонячних нейтрино – один із способів це зробити.

джерело: The Super-Kamiokande Collaboration. First Indication of Terrestrial Matter Effects on Solar Neutrino Oscillation // Phys. Rev. Lett. 112, 091 805 (2014 року); стаття вільно доступна в архіві е-принтів як arXiv: 1312.5176 [hep-ex].

Див. також:
1) M. Schirber. Focus: Neutrinos Are Brighter at Night // Physics 7, 24 (2014 року) – доступний розповідь про це дослідження.
2) С. П. Міхєєв, А. Ю. Смирнов. Резонансні осциляції нейтрино в речовині // УФН 153, 3 (1987).
3) С. С. Герштейн. Загадки сонячних нейтрино // Соросівський освітній журнал, вип. 8 (1997).
4) Р. Девіс (мл.). Півстоліття з сонячним нейтрино // УФН 174, 408 (2004) і М. Кошіба. Народження нейтринної астрофізики // УФН 174, 418 (2004) – нобелівські лекції.
5) Л. А. Кузьмичов. Нейтрино астрофізика, розділ електронного підручника НИИЯФ МГУ.

Ігор Іванов


Like this post? Please share to your friends:
Залишити відповідь

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: