Дмитрий Наумов
Сердце счетчика нейтрино.
Фото с официального сайта проекта: http://dayabay.ihep.ac.cn
– Дмитрий Вадимович, давайте начнем с небольшого обзора: когда ученые стали получать знания о нейтрино?
– В конце XIX – в начале XX века началось активное изучение радиоактивности. Радиоактивные распады были обнаружены сначала Анри Беккерелем, а затем Марией и Пьером Кюри. Позже распады разделили на три группы по типу взаимодействия – сильное, слабое и электромагнитное, а сначала просто называли буквами альфа, бета, гамма.
Сильные и электромагнитные распады (альфа и гамма) были понятны физикам того времени – законы сохранения энергии и импульса в них соблюдались. Как раз тогда создавалась квантовая механика, и все вполне укладывалось в общую канву квантования уровней. Однако при бета-распаде, с которым мы сейчас связываем слабое взаимодействие, вылетает электрон или позитрон с энергией, значение которой не дискретно, то есть оно может принимать любое значение от минимально до максимально возможного. Физики говорят в таком случае о спектре значений энергии.
Непрерывность спектра электронов из бета-распадов ставила многих ученых в тупик, и Нильс Бор, один из создателей квантовой механики, даже обсуждал возможность того, что энергия и импульс не сохраняются в микроскопических масштабах. К счастью, эту идею не поддержали другие физики.
В 1930 году Вольфганг Паули первым догадался, что в распаде может образовываться третья частица, которая улетает незамеченной. Благодаря ей и наблюдается непрерывный спектр электронов в бета-распадах. Он сделал оценку для своей гипотетической частицы – она должна была быть нейтральной, с массой, много меньшей массы протона, и очень слабо взаимодействующей, потому и незаметной.
Паули назвал эту частицу нейтроном, однако в 1932 году Джеймсом Чедвиком был открыт настоящий нейтрон, он оказался тяжелее протона и явно не годился на роль незаметно улетающей частицы. В середине 30-х годов Энрико Ферми вернулся к этой идее, создав теорию бета-распада и попутно назвав «нейтрон Паули» итальянским словом «нейтрино», что означает маленький нейтрон, нейтрончик.
– С тех пор прошло почти 80 лет. Как развивались в дальнейшем исследования нейтрино?
– С момента предсказания Паули до экспериментального обнаружения нейтрино прошло 26 лет. За это время Ферми создал теорию бета-распада с участием нейтрино. Тут я бы все-таки отметил, насколько разные вклады этих ученых – у Паули был гениальный провидческий ход, а Ферми сделал из этой идеи теорию, которую потом проверили и подтвердили.
Согласно этой теории, вероятность того, что нейтрино провзаимодействует с другой частицей, оказалась очень мала, поэтому экспериментально обнаружить ее довольно сложно. Например, теоретически нужно поставить бок о бок миллиард солнц, чтобы нейтрино провзаимодействовало хотя бы один раз. С другой стороны, это очень хорошо для астрофизиков – ведь нейтрино несет в себе информацию о самых глубоких внутренних областях звезды, куда нам иным способом никак не добраться. Например, из-за многократных перерассеяний в веществе Солнца фотону требуется почти 10 тысяч лет, чтобы выбраться из середины нашего светила на поверхность.
Однако, согласно поговорке «глаза боятся, а руки делают», оказалось, что достаточно поставить в нескольких метрах от реактора бак с парой сотен литров воды и растворенным в ней хлоридом кадмия, проложить его тремя слоями жидкого сцинтиллятора, окружить фотоумножителями, и можно увидеть взаимодействия антинейтрино от реактора.
– Почему именно около реактора?
– В реакторе в избытке рождаются совершенно «бесплатные» нейтрино (точнее, антинейтрино). До некоторого времени до них никому не было дела. Поэтому если нет намерения строить специальный нейтринный источник, то проводить эксперименты на атомных станциях – самый удобный вариант.
В 1956 году был проведен ставший классическим эксперимент Ф.Райнеса и Ч.Коуэна на реакторе в Хэнфорде, когда в пластиковом баке с водой они увидели взаимодействие антинейтрино с веществом. Райнес дожил до Нобелевской премии, а Коуэн, к сожалению, нет. На этом примере я обычно в своих лекциях советую молодым ученым: во-первых, беречь здоровье и заниматься спортом, а во-вторых, не останавливаться в своих исследованиях – никто не может заранее загадать, что за этим последует. Райнес и Коуэн открыли так называемое электронное нейтрино.
Следующий тип нейтрино был открыт в 1962 году Л.Ледерманом, М.Шварцом и Дж.Штейнбергом. Идейно их эксперимент выглядел просто – пучок пионов направляется в длинный канал, где и происходит распад (пион живет примерно 26 наносекунд). Получившиеся в результате распада мюоны задерживаются толстой стальной стеной, а нейтрино ее преодолевают и попадают в детектор. Оказалось, что эти нейтрино, взаимодействуя с веществом детектора, всегда порождают мюоны, а не электроны. Таким образом выяснилось, что существуют по крайней мере два типа нейтрино – электронные и мюонные.
Общая особенность детектирования нейтрино в том, что всегда детектор должен быть очень большим, чтобы получить как можно больше событий. Сегодня речь уже идет о проектах с десятками килотонн и даже мегатонн вещества! При этом детектор должен быть очень чувствительным, чтобы не потерять информацию на микроскопическом уровне. В этом смысле нейтринная физика предъявляет очень серьезные требования к технологиям.
В этом можно убедиться на примере открытия третьего типа нейтрино. Это было сделано совсем недавно – в 2000 году. В США был проведен эксперимент DONUT. Тау-нейтрино взаимодействовали в специальном фотоэмульсионном детекторе, рождая тау-лептон – короткоживущий лептон, который перед распадом успевает пройти в фотоэмульсии путь длиной несколько сотен микрон и оставить маленькую часть трека в фотоэмульсии. Обнаружение таких событий в DONUT привело к открытию тау-нейтрино.
Итак, к началу нашего века стало известно о трех типах нейтрино, каждый из которых всегда рождается вместе с соответствующим лептоном – электроном, мюоном или тау-лептоном. Таким образом, каждому нейтрино приписывается свое квантовое число – аромат (или «флэйвор»). Эксперименты указывали на то, что аромат нейтрино сохраняется.
– Между обнаружением второго и третьего поколений нейтрино прошло почти 40 лет. Что происходило в нейтринной физике в эти годы?
– В процессе проведения новых экспериментов физики все чаще высказывали сомнение в том, что аромат нейтрино сохраняется. Некоторые эксперименты регистрировали меньшее число нейтрино, чем ожидали согласно теоретическим вычислениям. Одной из гипотез, объясняющих такой дефицит в числе нейтринных взаимодействий, были так называемые нейтринные осцилляции.
Согласно этой гипотезе, в пучке, состоящем изначально только из, например, электронных нейтрино, появляется примесь мюонных и тау-нейтрино с одновременным уменьшением доли электронных. Вероятность появления этой примеси зависит периодическим образом от расстояния между источником и детектором.
– Почему нейтрино осциллируют?
– Дело в том, что три типа нейтрино – электронное, мюонное и тау – не являются привычными частицами в том смысле, что у них нет определенной массы! Есть другие три типа нейтрино, у каждого из которых есть определенная масса. Для них нет красивого названия, и их пока называют просто – v1, v2 и v3. Так вот, электронное, мюонное и тау-нейтрино являются квантовой смесью состояний v1, v2 и v3, каждое из которых входит в флэйворное состояние со своей долей. Эти доли удобно выражать математически через углы смешивания.
Получается, что электронное, мюонное и тау-нейтрино состоят из трех волн, каждая из которых колеблется со своей частотой и амплитудой. Теперь становится понятно, что если в начальный момент времени это сложное волновое образование выглядело как, например, электронное нейтрино, то в последующие моменты времени эти волны сложатся так, что появляется примесь мюонного и тау-нейтрино, что и могут измерить экспериментаторы как дефицит в числе электронных нейтрино или же как появление новой примеси мюонно и тау-нейтрино.
Вероятность таких переходов аромата нейтрино будет периодической. Измеряя соответствующие вероятности осцилляций, можно узнать значения этих углов смешивания. Если бы углы оказались равными нулю, это бы означало, что никакого смешивания нет. Однако экспериментально показано, что один из углов составляет около 34 градусов, а второй близок к 45. То есть, смешивание есть, и значительное. Таким образом, электронное нейтрино почти наполовину состоит из v1 и примерно по одной четверти примеси от v2 и v3. А тау-нейтрино состоит почти наполовину из v2 и наполовину из v3 с маленькой примесью от v1.
Последний, неизвестный до 2012 года угол смешивания был открыт в эксперименте Daya Bay. Было сделано действительно очень важное научное открытие.
– Расскажите подробнее об открытии нейтринных осцилляций. Ведь нейтрино долгие годы считалась одной из самых загадочных частиц, ее упоминали в песнях, научно-фантастических произведениях.
– Первой предпосылкой был дефицит числа электронных нейтрино, летящих от Солнца, который был обнаружен в эксперименте Дэвиса в Хоумстэйке еще в 70-х годах прошлого века. Всерьез об осцилляциях заговорили во второй половине 90-х годов.
Измерение первых двух углов было связано в основном с экспериментом Super-Kamiokande. У японцев на тот момент нейтринная программа была развита лучше всех. Электронные нейтрино летят от Солнца во все стороны, в том числе к Земле, их довольно много. Через каждый квадратный сантиметр за секунду их пролетает 10 млрд., мы все живем в потоках нейтрино.
Есть теоретическая модель Солнца, в рамках которой рассчитывается количество солнечных нейтрино, и есть эксперименты, которые их регистрируют. Между теорией и экспериментом возникло рассогласование – эксперимент видел примерно в два раза меньше нейтрино, чем было предсказано. Физики назвали это явление проблемой солнечных нейтрино, много лет она у всех была на слуху, делалось множество предположений.
Одной из версий была гипотеза о нейтринных осцилляциях. Предполагалось, что электронные нейтрино на пути от Солнца превращались в другие типы нейтрино. Это была красивая, но не единственная гипотеза. Она существовала наравне с парой десятков других предположений. Думаю, однако, было бы уместно вспомнить о том, что идею нейтринных осцилляций высказал академик Бруно Понтекорво, работавший в ОИЯИ. Что поразительно, он высказал идею о возможном дефиците нейтрино от Солнца еще до проведения самого эксперимента! Но, как я уже сказал, были и другие гипотезы, объясняющие загадку солнечных нейтрино.
Точку в этом споре поставил эксперимент SNO (Канада), в котором вместо воды применили тяжелую воду – D2O. Казалось бы, что такого – вместо водорода дейтерий? Всего лишь еще один добавочный нейтрон в ядре водорода, но разница оказалась огромна!
Энергии солнечных нейтрино хватает, чтобы разорвать связи между нейтроном и протоном в дейтерии, и экспериментаторам оставалось только посчитать число таких развалов. Оказалось, что число нейтрино, которое было подсчитано по таким событиям, находится в прекрасном согласии с теорией. Так было доказано, что нейтрино от Солнца осциллируют.
– Три вида нейтрино открыты, осцилляции доказаны, два вида смешивания наблюдалось, два угла измерены. Переходим к Daya Bay, где был измерен третий угол. Что представляет собой этот эксперимент?
– На юге Китая, в 52 километрах севернее Гонконга, расположены три реакторных комплекса – Daya Bay, Ling Ao и Ling Ao 2. В каждом из них по два реактора для производства энергии. Расчеты показали – чтобы обнаружить эффект осцилляций нейтрино за счет третьего угла смешивания, надо поставить детектор на расстоянии 1,5–2 км от реактора и измерить дефицит антинейтрино. Исходя из величины этого дефицита, можно вычислить последний из неизвестных углов. В итоге на Daya Bay было впервые доказано ненулевое значение третьего угла.
Каждый из восьми детекторов эксперимента Daya Bay – трехзонный. Внутренняя зона заполнена 20 тоннами жидкого сцинтиллятора с примесью гадолиния, еще 20 тонн жидкого сцинтиллятора без примеси располагаются в средней зоне, и 40 тонн минерального масла служат внешним буфером от радиоактивного фона.
За 126 дней эксперимента в Daya Bay было зарегистрировано более 200 000 взаимодействий антинейтрино. Из них почти 30 000 событий было зарегистрировано в дальних детекторах.
– Когда и где состоялось официальное признание открытия?
– Daya Bay – это международная коллаборация, она состоит из физиков из Китая, США, Тайваня, Гонгонга, Чехии и России. Россия представлена ОИЯИ. Нам необходимо было сначала создать детекторы, ближние и дальние, установить их и начать набор данных. Примерно через 55 дней с начала набора данных ближними и дальними детекторами было решено проанализировать первую порцию данных.
В современной физике, когда ученые ищут то, что еще не открыто, применяют так называемый слепой анализ. Это скорее попытка избежать, скажем так, самообмана, потому что когда люди искренне хотят обнаружить какой-нибудь эффект и при анализе данных видят что-то похожее, потом бессознательно начинают критерии отбора настраивать таким образом, чтобы этот эффект усилить. Это естественное психологическое явление, которое тем не менее часто приводит к неправильным результатам. Поэтому используется метод слепого анализа: физики анализируют данные, но часть информации (в данном случае речь идет о массе детектора, о мощности реактора, о некоторых эффективностях) от анализаторов данных остается засекречена.
В данном случае использовались номинальные параметры, которые должны были бы быть в идеале. Такая обработка – довольно длительная процедура, ученые обмениваются результатами, выводами, ищут потенциальные проблемы. И только после того, как мы все проанализировали и убедились, что у нас нет систематических ошибок (или мы их не можем идентифицировать), «открывается черный ящик».
И когда все это было проделано, стало очевидно, что мы систематически в дальнем детекторе видим дефицит событий, который надо интерпретировать как проявление осцилляций. Это происходило на внутреннем, закрытом совещании, где присутствовали только члены коллаборации.
Время было действительно горячее, совещание проходило в феврале 2012 года, и мы все очень напряженно работали. В итоге 8 марта 2012 года коллаборация Daya Bay объявила об обнаружении того, что третий угол отличен от нуля. Как говорится, «и на следующий день они проснулись знаменитыми». Было сделано действительно очень важное научное открытие. Это один из трех основополагающих параметров в понимании физики нейтрино. И статья с этими результатами имеет сегодня уже более 400 цитирований, прибавляя в числе ссылок буквально каждый день.
– Что участники коллаборации планируют делать дальше?
– Уже сегодня готовится новый проект, ведь открытые вопросы в нейтринной физике еще есть. Три угла измерены, измерены две разницы квадратов масс, которые измеряются в осцилляциях между первым – вторым и вторым – третьим поколениями. Но до сих пор неизвестно: первое нейтрино тяжелее, чем третье, или наоборот? Это так называемая проблема иерархии масс нейтрино. И вторая фаза эксперимента Daya Bay как раз ставит своей целью эту иерархию масс определить. Для этого нужно будет ставить детектор на расстояние 60 километров от реактора, там должна будет проявиться разница между двумя сценариями смешивания. Это глобальная задача, и мы с нуля начинаем новый цикл.
Аналогично почти 10 лет назад в 2004 году начинался эксперимент Daya Bay. Сейчас мы начинаем такой же новый цикл – с 2012 года готовим новый эксперимент, который даст результат только в 2025 или, если повезет, в 2023 году. Вторая стадия, может быть, даже будет называться по-другому, потому что будут использованы другие реакторы, уже точно известно, что в другом месте, южнее Гонконга. С точки зрения технологических инноваций это будет следующий шаг, который требует отдельной подготовки и специальных исследований.
Дарья Гармоненко