Президиума ран



Скачать 460.84 Kb.
страница1/3
Дата04.05.2016
Размер460.84 Kb.
  1   2   3


ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2012, том 82, № 8, с. 683-711

С КАФЕДРЫ ====^=====^=

ПРЕЗИДИУМА РАН

Исследования в области физики элементарных частиц вызывают в последнее время не только боль­шой научный, но и общественный резонанс. Это во многом связано со спецификой проводимых экспериментов — огромными объёмами требуемого финансирования, трудоёмкостью и связанны­ми с ними рисками. Однако подобные эксперименты способствуют существенному прогрессу фун­даментального знания. Основой публикуемой ниже статьи послужило научное сообщение, заслу­шанное на заседании Президиума РАН, посвященное феномену осцилляции нейтрино, экспери­ментальное открытие и теоретическое изучение которого, по мнению автора, могут положить начало революционному пересмотру фундаментальных физических представлений.


ОСЦИЛЛЯЦИИ НЕЙТРИНО: ПРОРЫВ В НОВУЮ ФИЗИКУ

Ю.Г. Куденко


КУДЕНКО Юрий Григорьевич -доктор физико-математических наук, профессор, заведующий Отделом физики высоких энер­гий Института ядерных иссле­дований РАН.

Нейтринная физика — одна из наиболее инте­ресных и интенсивно развивающихся областей физики элементарных частиц. К фундаменталь­ным открытиям последнего времени относятся доказательство существования ненулевой массы покоя нейтрино и обнаружение феномена сме­шивания, или осцилляции, различных типов ней­трино. Осцилляции нейтрино противоречат принципам Стандартной модели физики элемен­тарных частиц, постулирующей существование трёх поколений (ароматов) активных нейтрино, которые являются безмассовыми частицами и не могут менять свой аромат в процессе распростра­нения со скоростью света, то есть не могут сме­шиваться. Открытие осцилляции стало непосред­ственным экспериментальным доказательством существования явлений, не укладывающихся в рамки Стандартной модели, и одновременно на­чалом изучения этих явлений, относящихся к но­вой физике.




Стандартная модель элементарных частиц и представления о нейтрино. Стандартная модель физики элементарных частиц описывает силь­ные, электромагнитные и слабые взаимодействия элементарных частиц, её предсказания хорошо

согласуются со всеми экспериментальными дан­ными, за исключением осцилляции нейтрино. Она включает в себя следующие элементарные частицы: калибровочные бозоны, кварки, лепто-ны и хиггсовский бозон. Кварки и лептоны име­ют спин Уг и являются фермионами, которые де­лятся на три поколения, как показано в таблице. Электрон (е), мюон (ц) и тау-лептон (х) являют­ся заряженными частицами, а электронное нейтрино (ve), мюонное нейтрино (v^) и тау-нейтрино (vT) — нейтральными частицами. Каж­дому кварку соответствует антикварк, а лептону — антилептон.

Лептоны имеют квантовое число L = +1, а ан-тилептоны — L = — 1. Величина L сохраняется во всех взаимодействиях. Каждое поколение лепто-нов имеет также соответствующее лептонное число: электронное Le, мюонное и тау-леп-тонное LT. Эти числа (+1 для лептонов и —1 для антилептонов) также сохраняются во всех взаи­модействиях.

Калибровочные бозоны включают в себя фо­тон, являющийся переносчиком электромагнит­ного взаимодействия, массивные W± и Z0 бозо­ны, через которые осуществляется слабое взаи­модействие, и восемь безмассовых глюонов — переносчиков сильного взаимодействия. Все квар­ки, заряженные фермионы, а также W± и Z0 бозо­ны приобретают свою массу за счёт взаимодей­ствия с хиггсовским полем. Хиггсовский бозон ещё не обнаружен, а его масса, скорее всего, нахо­дится в диапазоне 120—130 ГэВ.

В физике элементарных частиц важнейшая роль отводится так называемым фундаменталь­ным симметриям, которые можно определить как такие операции над системой, в результате кото­рых уравнения, описывающие поведение этой системы, остаются неизменными, или, другими


словами, система остается инвариантной относи­тельно данных преобразований. К фундаменталь­ным дискретным симметриям относятся про­странственная чётность Р, зарядовая симметрия С и симметрия относительно обращения времени Т. Операция пространственной чётности заключа­ется в трансформации системы из правой систе­мы координат в левую и наоборот. При этом на­правления пространственного вектора и импуль­са частицы меняются на противоположные (зеркальное отражение):

(1)

Скалярное произведение этих векторов знака не меняет, так же, как векторное произведение, которое образует псевдовектор, или аксиальный вектор:



(2)


Зарядовое сопряжение означает переход от ча­стицы к античастице:

(3)


Применение этой операции изменяет все квантовые числа (заряд, лептонное число и т.д.), однако масса, энергия, импульс и спин частицы не меняются.


(4)


Изменение направления времени приводит к следующим соотношениям:

Нейтрино в Стандартной модели являются безмассовыми частицами и, участвуя в слабом взаимодействии, сохраняют индивидуальные лептонные числа: электронное Le, мюонное Lv и тау-лептонное Lx. Спин нейтрино равен 1/2 и ориентируется вдоль импульса — может совпадать с направлением импульса или быть направлен­ным против него. Экспериментальные данные позволяют заключить, что спин нейтрино ориен­тирован против импульса (левая спиральность), а спин антинейтрино ориентирован вдоль импуль­са (правая спиральность). Так как массы кварков и заряженных лептонов отличны от нуля, то они могут иметь как левую, так и правую спираль­ность. Спиральность нейтрино тесно связана с несохранением Р-чётности в слабых взаимодей­ствиях. Применение операции пространственной чётности (Р-операции) изменяет направление импульса нейтрино на противоположное, но не изменяет направление спина, приводя в результа­те к нейтрино с правой спиральностью. Однако такой частицы не существует, что и представляет собой проявление нарушения пространственной чётности в слабых взаимодействиях.

Применение операции зарядовой симметрии (С-операции) переводит нейтрино в антинейтри­но, но не меняет направление импульса и спина, вследствие чего получается левовинтовое анти­нейтрино, которое также не существует. Таким образом, зарядовая симметрия, как и простран­ственная чётность, нарушается в слабых взаимо­действиях. Последовательное применение С- и Р-операций переводит левовинтовое нейтрино в правовинтовое антинейтрино, и это демонстри­рует, что CP-симметрия сохраняется в слабых вза­имодействиях в лептонном секторе Стандартной модели. Следует отметить, что СР-симметрия слабо нарушается в распадах каонов и В-мезонов, то есть в кварковом секторе Стандартной модели.

Феноменология нейтринных осцилляции. Идея о возможности переходов (осцилляции) одного ти­па нейтрино в другой была выдвинута Б.М. Понте­корво в 1957 г. [ 1,2] и предполагала наличие у ней­трино ненулевой массы и способности смеши­ваться. В этом случае собственные (активные) состояния нейтрино не совпадают с массовыми состояниями, и связь между ними описывается через унитарную 3x3 матрицу смешивания U:

г
де V[, v2, v3 — волновые функции, описывающие массовые состояния с массами ть т2, т3, соот­ветственно. Рассмотрим для простоты два типа нейтрино — электронные ve и мюонные уц, кото­рым соответствуют два массовых состояния v,(m2) и v2{m2). В этом случае матрица смешива­ния будет определяться одним параметром — уг­лом смешивания 6, и собственные состояния бу­дут связаны с массовыми состояниями следую­щим образом:


Р



о


нейтрино, изначально состоящем из аромата а. Этот метод называется экспериментом "на появ­ление". Другой метод основывается на измере­нии известного начального потока va и наблюде­нии уменьшения этого потока по сравнению с предсказанной с учётом отсутствия осцилляции величиной. Этот метод называется эксперимен­том "на исчезновение". Следует также отметить, что в подобном случае должно наблюдаться иска­жение начального энергетического спектра ней­трино, характерное для осцилляции. Для случая двух нейтрино ve и уц существует только одна раз­ность квадратов масси в этом случае вероятность появления электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино на расстоя­нии L от источника нейтрино выглядит следую­щим образом:

(5)

где Е — энергия нейтрино. Вероятность исчезно­вения мюонных нейтрино описывается выраже­нием:



(6)

Из выражений (5) и (6) осцилляционная длина определяется как:



(7)

Зависимость этих вероятностей от расстояния, которое пролетает нейтрино, то есть расстояния между источником нейтрино и детектором ней­трино, показана на рисунке 1. Хорошо видно, что положение максимума или минимума однознач­но связано с величиной Am2, а глубина минимума (высота максимума) пропорциональна sin2(29), то есть характеризует смешивание нейтрино.



Осцилляционная индустрия. Первое указание на существование осцилляции было получено в эксперименте Р. Дэвиса [3], которому удалось за­фиксировать дефицит солнечных нейтрино: из­меренный поток электронных нейтрино \е — единственного типа нейтрино, рождающихся в солнечном цикле, составил величину около 1/3 от потока, предсказанного Стандартной солнечной моделью. Дальнейшие измерения солнечных нейтрино черенковскими детекторами Камио-канде [4] и СуперКамиоканде [5], а также измере­ния потока радиохимическими экспериментами SAGE [6] и GALLEX [7] подтвердили этот эффект.

Однозначное доказательство осцилляции сол­нечных электронных нейтрино было получено в эксперименте SNO [8], в котором для регистра­ции нейтрино использовался детектор с тяжёлой водой. Измерения потока электронных нейтри­но, а также полного потока активных нейтрино от Солнца показали, что первый поток составляет только около 1/3 от потока всех типов нейтрино.

Тем самым было доказано, что электронные ней­трино на пути от Солнца к Земле переходят в дру­гие типы нейтрино — мюонные уц и тау-лептон-ные vT Независимое подтверждение осцилляции нейтрино с параметрами, характерными для ос­цилляции солнечных нейтрино, было получено в реакторном эксперименте KamLAND [9].

Осцилляции атмосферных нейтрино были об­наружены на подземной установке СуперКамио­канде [10]. Экспериментально измеренный поток мюонных нейтрино оказался существенно мень­ше рассчитанного, в то время как измеренный поток электронных нейтрино совпал с ожидае­мым при условии отсутствия осцилляции. Этот результат был впоследствии подтверждён на двух ускорительных экспериментальных установках с длинной базой, то есть с большим расстоянием от мишени, где рождаются нейтрино, до дальнего детектора, - К2К [11] и MINOS [12]. В этих экс­периментах удалось обнаружить дефицит общего числа нейтрино в дальнем детекторе по сравне­нию с ожидаемым в отсутствии осцилляции пото­ком. В обоих экспериментах также наблюдалось искажение спектра зарегистрированных нейтри­но в дальнем детекторе, которое имело характер­ную для осцилляции синусоидальную зависи­мость от отношения L/E. Параметры осцилляции мюонных нейтрино, полученные в этих экспери­ментах, прекрасно согласуются между собой. (Де­тальное рассмотрение нейтринных ускоритель­ных экспериментов представлено в обзоре [13].) Поиск осцилляции электронных антинейтрино в реакторном эксперименте CHOOZ [14] не обна­ружил этого эффекта. Было получено ограниче­ние на угол смешивания между первым и третьим массовыми состояниями.

Суммарные результаты осцилляционных экс­периментов, осуществлявшихся на протяжении нескольких десятилетий, приведены на рисунке 2. Для области осцилляции атмосферных нейтрино разность квадратов масс Am2 соответствует ~ 2.5 х х 10~3 эВ2 (на рисунке обозначена как MINOS), а для солнечных нейтрино — (7—8) х 10~5 эВ2 (эта




где угол 023 = 45° характеризует смешивание атмо­сферных нейтрино, угол 912 = 34° — солнечных нейтрино, а через матрицу, содержащую неиз­вестные параметры (угол 013 и CP-нечётную фазу 8), осуществляется связь между солнечными и атмо­сферными параметрами. Следует особо подчерк­нуть, что во все выражения для вероятности ос­цилляции входит произведение sin613e~'s, и по­иск нарушения CP-симметрии в осцилляциях нейтрино возможен только в случае ненулевой и, более того, не очень малой величины 613. СР-нару-шение в осцилляционных экспериментах должно проявиться в виде разницы между вероятностью осцилляции мюонных нейтрино в электронные нейтрино и вероятностью осцилляции мюонных антинейтрино в электронные антинейтрино, то есть асимметрия

должна иметь ненулевое значение. Первоочеред­ной задачей проводимых в настоящее время уско­рительных и реакторных осцилляционных экспе­риментов является измерение угла 613, что важно как для понимания механизма смешивания ней­трино, так и для дальнейшего поиска нарушения CP-симметрии в нейтринных осцилляциях.



Эксперимент Т2К. Основная цель ускоритель­ного эксперимента с длинной базой второго по­коления Т2К (Tokai-to-Kamioka, Япония) [15] за­ключается в чувствительном поиске осцилляции мюонных нейтрино в электронные (уц> ve) и из­мерении угла 913, а также в прецизионном изме­рении других осцилляционных параметров. Ос­новными элементами установки Т2К являются нейтринный канал, созданный в ускорительной лаборатории J-PARC, комплекс ближних ней­тринных детекторов на расстоянии 280 м от ми­шени и дальний детектор нейтрино СуперКамио­канде, расположенный под горой Икенояма. От места своего рождения до места регистрации в СуперКамиоканде нейтрино в течение 1 мс про­летают в толще Земли 295 км (рис. 3). В экспери­менте используется чистый квазимоноэнерге-тический пучок мюонных нейтрино (примесь электронных нейтрино в максимуме спектра со­ставляет менее 0.5%), энергия которого настрое­на на первый осцилляционный максимум. Такой пучок получается за счёт использования кинема­тики распада пионов, рождённых при взаимодей­ствии протонов с мишенью, на мюоны и мюонные нейтрино и выбора направления нейтринного пуч­ка по отношению к направлению протонного пуч­ка. Приближённое выражение для вероятности перехода мюонных нейтрино с энергией Е в элек-





тронные при прохождении расстояния L выгля­дит следующим образом:

(8)

Если задать направление нейтринного пучка на дальний детектор СуперКамиоканде как 2.5° относительно направления протонного пучка, то максимум интенсивности спектра нейтрино бу­дет соответствовать энергии, равной 600 МэВ. Это позволит настроиться на максимальную чув­ствительность к осцилляциям, соответствующую максимуму вероятности (как она определяется в приведённой выше формуле) осцилляции атмо­сферных нейтрино (Ат^з = 2.4 х 10~3 эВ2) для про­лётной базы Т2К.

Ближний нейтринный детектор ND280 ис­пользуется для измерений исходного, ещё не пре­терпевшего осцилляции нейтринного пучка, по­стоянного контроля за его параметрами и измере­ний нейтринных сечений в области энергий около 1 ГэВ. ND280 состоит из двух детекторов. Первый, расположенный на оси пучка, контро­лирует интенсивность, профиль и направление пучка с точностью лучше 1 мрад. Второй — off-axis — представляет собой комплексную установку, со­стоящую из нескольких детекторов (один из них — детектор пробега мюонов (SMRD) — был разрабо­тан и создан в ИЯИ РАН), которые позволяют контролировать направление нейтринного пучка, измерять энергию нейтрино с точностью около 15 МэВ и сечения взаимодействия нейтрино че­рез заряженные и нейтральные токи. Для измере­ния импульса и заряда частиц используется маг­нитное поле, создаваемое магнитом, который ра­нее использовался в ЦЕРНе в экспериментах UA1 и NOMAD.

Дальний детектор СуперКамиоканде пред­ставляет собой гигантский бак диаметром 39 м и высотой 42 м, заполненный чистой водой. По стенкам, дну и крышке детектора с шагом 70 см располагаются около 11 тыс. больших фото­электронных умножителей, которые регистриру­ют черенковское излучение от заряженных ча­стиц, появляющихся в результате взаимодей­ствия нейтрино с веществом детектора. Детектор регистрирует нейтрино в диапазоне энергий от 4.5 МэВ до 1 ТэВ. Размер, направление и форма получаемого черенковского конуса используются для идентификации событий. Детектируются од-нокольцевые мюоноподобные, однокольцевые электроноподобные и многокольцевые события. Однокольцевая форма с резкими краями получа­ется от черенковского излучения мюона, одно-кольцевая с размытыми краями — от излучения электрона. Временная синхронизация с протон­ным пучком осуществляется через навигацион­ную систему GPS с точностью около 50 не. Такая точность позволяет наблюдать временную струк­туру зарегистрированных нейтринных событий и её соответствие временной структуре протонного пучка, что даёт возможность подавить фон, созда­ваемый атмосферными нейтрино до пренебрежи­мо малого уровня.

Набор статистики эксперимента Т2К начался в январе 2010 г. За это время в активном объёме детектора, равном 22.5 кт, 6 событий были иден­тифицированы как электроноподобные, появив­шиеся в результате взаимодействия в детекторе электронных нейтрино через заряженный ток. Ожидаемое число таких событий, при условии от­сутствия осцилляции v^—»ve, то есть при 913 = 0, составило величину 1.5 ± 0.3. Вероятность того, что 6 указанных событий появились вследствие флуктуации фоновых событий, а не осцилляции, составляет 0.7%, а значит, с вероятностью 99.3% этот результат может быть интерпретирован как указание на наличие осцилляции —> ve [16]. Центральная величина для sin22013 составляет 0.11 для нормальной иерархии масс нейтрино 3 > т2) и 0.14 для инверсной иерархии ъ < т2) в случае 8 = 0, как это следует из рисунка 4. Нуле­вая величина 913 исключена с доверительным ин­тервалом 90% для всех значений CP-нечётной фа-


зы. Таким образом, эксперимент Т2К дал первое однозначное указание на ненулевую величину 013.





0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Энергия нейтрино, ГэВ

Б
лагодаря нейтринному эксперименту MINOS (Фермилаб, США) был сделан ещё один шаг на пути поиска осцилляции уц> ve [17]. Обнаруже­но 62 нейтринных события, интерпретированных как электронные, при ожидаемых 50 событиях. Этот результат согласуется с данными Т2К, хотя достигнутая в MINOS чувствительность позволя­ет только заключить, что величина 0,3 = 0 исклю­чена на уровне 89% CL. Предварительные данные, полученные в эксперименте DoubleChooz [18], в котором измерялся поток реакторных нейтрино на расстоянии от реактора около 1 км, также ука­зывают на значение 013 близкое к полученному в Т2К. Было зарегистрировано 4121 событие, то­гда как при 0]3 = 0 ожидалось 4344 ± 165 собы­тия. Отношение числа измеренных событий в DoubleChooz к предсказываемым при условии от­сутствия осцилляции составило величину 0.944 + ± 0.016(stat.) ± 0.040(sys.), что после включения в анализ искажения энергетического спектра ней­трино позволило получить значение sin22913 = = 0.086 ± 0.041(stat.) ± 0.030(sys.) и исключить ну­левую величину 913 с вероятностью 94.6%. В бли­жайшее время должны также появиться первые результаты измерения 013 в двух других реактор­ных экспериментах — Reno (Корея) и Daya Bay (Китай).

Большинство моделей, предлагавших описа­ние механизма смешивания нейтрино, свиде­тельствовало о малой либо нулевой величине 013, поэтому результат Т2К явился довольно неожи­данным и одновременно важным для продвиже­ния к пониманию процесса осцилляции и по­строения новых моделей. Кроме того, следует особо отметить, что большая — порядка 8—10° — величина 013 открывает уникальные возможности для поиска CP-нарушения в лептонном секторе в рамках нейтринных ускорительных эксперимен­тов с длинной базой на функционирующих в на­стоящее время протонных ускорителях, в то вре­мя как в случае очень малой величины 013 это бы­ло бы возможно только на нейтринной фабрике или в экспериментах с бета-пучками.

В эксперименте Т2К также был измерен дефи­цит мюонных нейтрино в процессе v^—> [19]. В случае отсутствия осцилляции в дальнем детек­торе СуперКамиоканде ожидалось зарегистриро­вать 104 мюонных нейтрино через процесс квази­упругого рассеяния, но было обнаружено всего 31 событие. Восстановленный по этим событиям спектр нейтрино показан на рисунке 5. Этот ри­сунок прекрасно демонстрирует чувствитель­ность метода с использованием внеосевого (off-axis) нейтринного пучка: отчётливо видно иска­жение формы спектра нейтрино, характерное для осцилляции. Отношение числа зарегистрирован­ных событий к ожидаемому в отсутствии осцил­ляции как функция энергии нейтрино показано на рисунке 6. Глубокий минимум при энергии нейтрино 600—700 МэВ и форма спектра отража­ют осцилляции нейтрино с параметрами Ат?,3 = = 2.65 х 10 3 эВ2, sin22023 = 0.98. Эти данные под­тверждают эффект осцилляции с "атмосферными параметрами", наблюдавшийся ранее в экспери­ментах, описываемых в [10—12], а параметры сме­шивания, полученные в рамках Т2К, хорошо со­гласуются с результатами этих экспериментов.

Сильнейшее землетрясение магнитудой 9 бал­лов, которое произошло в Японии 11 марта 2011 г.,




серьёзно повредило ускорительный комплекс J-PARC. Интенсивные восстановительные рабо­ты были закончены в декабре 2011 г., и в январе 2012 г. начался новый физический сеанс с пучком мюонных нейтрино. Ближайшая цель, стоящая перед экспериментаторами, — удвоение статисти­ки к лету 2012 г. и измерение величины 613 с точ­ностью За.
  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница