Президиума ран



Скачать 460.84 Kb.
страница2/3
Дата04.05.2016
Размер460.84 Kb.
1   2   3

Масса и смешивание нейтрино. Осцилляцион-ные эксперименты дают однозначное доказатель­ство существования ненулевой массы нейтрино, однако они не могут определить её абсолютное значение. Прямые измерения массы электронно­го антинейтрино в бета-распаде трития, прове­дённые в экспериментах в ИЯИ РАН и Майнце (Германия), позволили получить верхнюю грани­цу значения массы — mv< 2 эВ [20, 21]. Одно­временно на основе космологических данных рассчитывается модельно зависимое ограниче­ние на сумму масс нейтрино — ~Lmv< 0.45—1.3 эВ, а благодаря экспериментам по двойному безней­тринному бета-распаду получено консервативное ограничение на эффективную массу нейтрино, составляющее менее 0.75 эВ [22]. Наличие осцил­ляции требует, чтобы минимальная масса нейтри­но составляла приблизительно 0.05 эВ, а различие между массами тх, т2, тъ должно быть не более 102. Такой незначительный разброс масс нейтри­но находится в разительном контрасте с массами заряженных лептонов и кварков, которые отлича­ются более чем на 4 порядка (рис. 7).

В Стандартной модели возникновение масс частиц обусловлено механизмом Хиггса и являет­ся результатом спонтанного нарушения симмет­рии. Константы взаимодействия хиггсовского бо­зона с кварками и заряженными лептонами про­порциональны массам этих частиц. Крошечные массы нейтрино не находят объяснения в Стан­дартной модели. Для получения таких малых масс необходимо расширение Стандартной модели, и один из вариантов подобного расширения осно­вывается на введении нейтрино с правой спи-ральностью, которые не участвуют в слабых взаи­модействиях, — так называемых "стерильных" нейтрино. Однако в этом случае для получения масс нейтрино необходимы очень малые кон­станты связи хиггсовского бозона с нейтрино, что также противоречит фундаментальным положе­ниям Стандартной модели.

Из большого количества моделей, дающих объяснение малых масс нейтрино, наиболее по­пулярной и проработанной является модель "see­saw", или модель "качелей". В этой модели пред­полагается существование тяжёлых правых майо-рановских (частица=античастица) нейтрино NR и дополнительного скалярного хиггсовского поля, которые добавляются в Стандартную модель. Тя­жёлые нейтрино имеют массу mR~ 1014—1016 ГэВ, взаимодействуют с лептонами и хиггсовским по­лем и позволяют образовать малые массы нейтри­но следующим образом:
(9)
где nip по порядку величины совпадает с масшта­бом электрослабой шкалы ~100 ГэВ. Лептонное число в этой модели не сохраняется.

В то время как кварки довольно слабо смеши­ваются между собой, смешивание в нейтринном секторе описывается двумя большими углами 012 и 023 и, как считалось до результата Т2К, одним малым или нулевым углом 013. Наиболее попу­лярное объяснение такого смешивания было представлено в модели "tri-bi-maximal смешива­ния", в которой два угла предполагаются макси­мальными или почти максимальными, а один принимается как нулевой: 012« 35°, 023 = —45°, 0,3 = 0. Отсюда следует, что СР-симметрия не на­рушается в лептонном секторе и, соответственно, 8 = 0. Считается, что в основе такого смешивания может лежать какое-то неизвестное фундамен­тальное явление, или новая симметрия, но если результат Т2К подтвердится и угол 013 действи­тельно имеет довольно большую величину, адек­ватность модели "tri-bi-maximal смешивания" бу­дет поставлена под вопрос.



Барионная асимметрия Вселенной и лептогене-зис. Современная Вселенная характеризуется на­личием барионного вещества и практически пол­ным отсутствием антивещества. Важным пара­метром является отношение плотности числа барионов к плотности числа фотонов, равное

(10)

При высоких температурах в ранней Вселен­ной число кварк—антикварковых пар по порядку величины совпадало с числом фотонов, поэтому барионная асимметрия характеризуется соотно­шением


(П)
где nq и n-q плотность числа кварков и антиквар­ков, соответственно. Как следует из этого выра­жения, в ранней Вселенной на 1010 пар кварк—ан­тикварк приходился один лишний кварк. В про­цессе расширения и охлаждения Вселенной все кварк—антикварковые пары проаннигилировали, а оставшиеся избыточные кварки образовали ба-рионы. Поскольку в момент Большого взрыва ве­щество и антивещество возникли в одинаковом количестве, наличие такой асимметрии с самого начала является маловероятным, и её существо­вание должно получить объяснение.

Необходимые условия для появления барион-ной асимметрии были сформулированы А.Д. Са­харовым [23]. Они заключаются в нарушении ба­рионного числа, С- и СР-симметрий, отклонении от термодинамического равновесия. Стандартная модель содержит в себе эти возможности, однако величина CP-нарушения в кварковом секторе Стандартной модели недостаточна для генериро­вания соответствующей асимметрии х\в а откло­нение от термодинамического равновесия в элек­трослабых фазовых переходах требует, чтобы мас­са хиггсовского бозона была меньше 60 ГэВ, то есть меньше экспериментально установленного нижнего предела, равного 115 ГэВ.

Один из наиболее привлекательных подходов к проблеме объяснения барионной асимметрии апеллирует к механизму лептогенезиса [24]. Ис­точником барионной асимметрии в этом случае может быть процесс распада тяжёлых нейтрино, которые присутствуют в модели "качелей". Эти тяжёлые правовинтовые нейтрино могут распа­даться с испусканием предпочтительно лептонов, нежели антилептонов, поскольку, являясь майо-рановскими частицами, они нарушают лептон-ное число и Cf-симметрию. Следовательно, в распадах этих частиц может возникать лептонная асимметрия, которая затем частично переходит в барионную асимметрию за счёт механизма элек­трослабого взаимодействия. Таким образом, ме­ханизм, описываемый моделью "качелей", наря­ду с объяснением природы малых масс нейтрино, подкрепляет интерпретацию возникновения ба­рионной асимметрии Вселенной как результата лептогенезиса.

Нейтринные аномалии. Ряд данных, получен­ных при экспериментальном изучении осцилля­ции нейтрино, не укладывается в описанную вы­ше общепринятую картину переходов между тре­мя типами активных нейтрино с двумя независимыми ненулевыми величинами Am2. Так, в эксперименте LSND (Лос-Аламосская ла­боратория, США) при изучении осцилляции мю­онных антинейтрино в электронные антинейтри­но с короткой базой около 30 м был обнаружен избыток электронных нейтрино на уровне 3.8а, который интерпретировали как осцилляции мю­онных нейтрино в электронные с Am2 ~ 1 эВ2 [25]. Если этот результат верен, то его нужно рассмат­ривать в качестве весомого свидетельства в пользу существования четвёртого массового состояния в нейтринном секторе.

Для проверки этого результата в эксперименте MiniBooNe (Фермилаб, США) [26] был проведён поиск осцилляции в процессах —> ve и —> ve. Детектор, представляющий собой сферу, запол­ненную минеральным маслом, весом около 800 т, расположен на расстоянии около 500 м от мише­ни, где в процессе протон-ядерных соударений рождаются положительные и отрицательные пи­оны. Пучок нейтрино создаётся в результате рас­пада положительных пионов, а пучок антиней­трино — отрицательных пионов.

Поскольку средняя энергия нейтрино и анти­нейтрино составляет около 1 ГэВ, то эксперимент с такой пролётной базой обладает чувствительно­стью к осцилляциям в области Am2 ~ 1 эВ2. После нескольких лет набора статистики эксперимент с пучком мюонных нейтрино не обнаружил избыт­ка электронных нейтрино, ожидаемого при энер­гиях нейтрино более 475 МэВ для параметров ос­цилляции LSND, и, таким образом, не подтвер­дил результат LSND, но и не исключил его на статистически значимом уровне. При этом был зарегистрирован избыток событий при низких энергиях, которые интерпретировались как элек­тронные нейтрино. Несмотря на детальный анализ данных и поиск систематических по­грешностей, этот эффект не нашёл объяснения и инициировал проведение нового эксперимента MicroBooNe [27]. Измерения с пучком антиней­трино также не дали однозначного ответа. Хотя наблюдался небольшой избыток числа электрон­ных нейтрино как при высоких энергиях (>475 МэВ), так и при низких, высокий уровень статистической погрешности не позволяет сде­лать окончательных выводов. Следует также от­метить, что использованная экспериментальная установка не имеет ближнего детектора, и пара-
2012



метры нейтринного пучка вблизи мишени, то есть до возможных осцилляции, не измеряются. Это приводит к тому, что при оценке системати­ческих ошибок учёные опираются на моделиро­вание параметров нейтринного пучка методом Монте-Карло, что существенно ограничивает возможности контроля за погрешностями изме­рений.

Ещё одним интересным эффектом является так называемая "галлиевая аномалия", суть кото­рой заключается в том, что в рамках двух Ga-Ge нейтринных экспериментов SAGE [28] и GALLEX [29] при калибровках с использованием искусственных источников нейтрино 51Сг и 37Аг был зарегистрирован существенно меньший по сравнению с ожидаемым (для хорошо известной интенсивности источников) поток нейтрино. Суммарный эффект (дефицит) зарегистрирован­ных нейтрино в обоих экспериментах составил 13 ± 5%. Возможным объяснением этого резуль­тата также являются "нестандартные" осцилля­ции нейтрино с Ат2> 1 эВ2.

Недавно была пересмотрена и оценка потока реакторных нейтрино. Осуществлённые в работе [30] расчёты на основании новых данных по сече­ниям деления привели к увеличению значения потока примерно на 3.5%. Если учесть новое зна­чение времени жизни нейтрона и более точные сечения взаимодействия электронных антиней­трино с протоном, полученные в последние годы, то, как следует из работы [30], во всех реакторных экспериментах с короткой базой (меньше 100 м), проводимых на протяжении 30 лет, наблюдался дефицит потока антинейтрино на уровне 5.7% (0.943 ± 0.023), что трактуется авторами работы [30] как реакторная аномалия. Этот эффект мож­но интерпретировать и как проявление неизвест­ной физики реакторов, и как возможные осцил­ляции электронных антинейтрино на коротких

базах от -10 до 100 м с Am„ew ^> Ат32,. Последнее означает существование новой, ранее неизвест­ной моды осцилляции, отличной от схемы с тре­мя активными нейтрино.

Сравнение экспериментально измеренных по­токов антинейтрино в нескольких реакторных экспериментах с ожидаемыми при условии отсут­ствия осцилляции показаны на рисунке 8. Как вид­но из рисунка, экспериментальные данные наи­лучшим образом описываются введением нового массового состояния >1 эВ, в которое могут пере­ходить электронные антинейтрино. Таким обра­зом, три аномалии (LSND, галлиевая и реактор­ная), если они верны, указывают на существова­ние четвёртого массового состояния с массой более 1 эВ. Однако такое состояние невозможно в Стандартной модели, предполагающей суще­ствование только трёх типов активных нейтрино.

Гипотеза о существовании стерильных нейтри­но Vj позволяет дать достаточно обоснованное объяснение описанных аномалий. Стерильные нейтрино могут рождаться в ранней Вселенной благодаря смешиванию с активными нейтрино, а также иметь левую или правую спиральность. Они не участвуют в слабых взаимодействиях, и, следовательно, их прямое детектирование в ней­тринных экспериментах невозможно. Вместе с




тем обнаружение таких частиц привело бы к пол­ному пересмотру наших представлений об эле­ментарном строении вещества.

Измерение скорости нейтрино. Последнее, о чём хотелось бы сказать, — это обнаружение в эксперименте с длинной базой OPERA крайне важного эффекта при измерении скорости ней­трино [31]. В эксперименте использовался пучок мюонных нейтрино со средней энергией около 17 ГэВ, рождённых в ЦЕРНе и зарегистрирован­ных в подземной лаборатории Гран Сассо (Ита­лия) после пролёта в толще Земли расстояния около 730 км. Высокоточная временная система эксперимента позволила провести измерение времени пролёта нейтрино с точностью около 10 не, а пролётная база была определена с точно­стью около 20 см. В общей сложности было заре­гистрировано около 16000 нейтринных событий. Согласно результатам эксперимента, нейтрино при­бывают в детектор раньше времени, необходимого свету для преодоления этого расстояния. Разница

во времени составилане

или, другими словами, относительная разность между скоростью нейтрино и скоростью света вы­ражается величиной

Значимость эффекта составляет 6.2а. Этот ре­зультат был получен с протонным пучком, имею­щим длительность банча 10.5 мке, а затем проверен в специальном сеансе с короткими импульсами протонного пучка 3 не. Удалось зарегистрировать 20 нейтринных событий, показанных на рисунке 9, которые опередили свет на 62.1 ± 3.7 не, что хоро­шо согласуется с приведённым выше результа­том. Таким образом, из этих данных следует, что нейтрино распространяются в пространстве со сверхсветовой скоростью.

Результат эксперимента OPERA, если он ве­рен, открывает дорогу к абсолютно новой физи­ке, выходящей за пределы специальной теории относительности, а значит, к полному пересмотру фундаментальных принципов, на которых бази­руется современная физическая картина мира. Но этот результат требует тщательной и незави­симой проверки на установках с длинной базой Т2К и MINOS, которая должна его подтвердить или опровергнуть.

Итак, в последние годы в нейтринной физике был получен ряд блестящих результатов. Обнару­жение осцилляции, однозначно доказывающих наличие ненулевой массы нейтрино, стало пер­вым экспериментальным свидетельством суще­ствования новой физики за пределами Стандарт­ной модели. Сами нейтрино оказались уникаль­ной лабораторией для изучения "нестандартных" явлений и свойств и основой для становления но­вой физики. Несмотря на фантастический про­гресс, всё ещё остаётся большое количество во­просов, от решения которых будет зависеть всё содержание новой физики. Отличен ли от нуля угол 013? Какой механизм ответствен за возник­новение у нейтрино массы и какова природа этих частиц? Какова иерархия масс нейтрино? Суще­ствуют ли стерильные нейтрино? Почему меха­низмы смешивания кварков и лептонов сильно различаются? Ответы на некоторые из этих во­просов могут быть получены уже в ближайшее время. В первую очередь, возможно, будет изме­рен угол 913 с точностью 1—2° в эксперименте Т2К и реакторных экспериментах. Если подтвердится, что этот угол имеет ненулевую величину, то следу­ющими задачами ускорительных экспериментов с длинной базой будет определение иерархии масс нейтрино и поиск CP-нарушения в лептон-ном секторе. Поэтому можно надеяться, что бога­тая на неожиданные результаты нейтринная фи­зика в скором времени порадует нас новыми сюр­призами.


ЛИТЕРАТУРА

  1. Понтекорво Б.М. Мезоний и антимезоний // ЖЭТФ. 1957. Т. 33. С. 549-551.

  2. Понтекорво Б.М. Обратные р-процессы и несохра­нение лептонного заряда // ЖЭТФ. 1958. Т. 34. С. 247-249.

  3. Davis R.Jr., HarmerD.S., Hoffman K.S. Search for neu­trinos from the sun // Phys. Rev. Lett. 1968. V. 20. P. 1205-1209.

  1. Hirata K.S. etal. Results from one thousand days of real time directional solar neutrino data // Phys. Rev. Lett. 1990. V. 65. P. 1297-1300.

  2. Fukuda Y. et al. Solar neutrino data covering solar cycle 22 // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 1683-1686.

  3. Abdurashitov J.N. et al. Results from SAGE // Phys. Lett. 1994. V. B328. P. 234-238.

  4. Anselmann P. et al. GALLEX results from the first 30 solar neutrino runs // Phys. Lett. 1994. V. B327. P. 377-385.

  5. Ahmad Q.R. et al. Direct evidence for neutrino flavor transformation from neutral current interactions in the Sudbury Neutrino Observatory // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. P. 011301.

  6. Eguchi K. etal. First results from KamLAND: Evidence for reactor anti-neutrino disappearance // Phys. Rev. Lett. 2003. V. 90. P. 1021802.




  1. Fukuda Y. et al. Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos// Phys. Rev. Lett. 1998. V. 81. P. 1562-1567.

  2. Aliu E. etal. Evidence for muon neutrino oscillation in an accelerator-based experiment // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. P. 081802.

  3. Michael D.G. et al. Observation of muon neutrino dis­appearance with the MINOS detectors and the NuMI neutrino beam // Phys. Rev. Lett. 2006. V. 97. P. 191801.

  4. Куденко Ю.Г. Исследование нейтринных осцилля­ции в ускорительных экспериментах с длинной ба­зой//УФН. 2011. Т. 181. С. 569-594.

  5. Apollonio М. etal. Limits on neutrino oscillations from the CHOOZ experiment // Phys. Lett. 1999. V. B466. P. 415-430.

  6. Abe K. et al. The T2K Experiment // Nucl. Instr. Meth. 2011. V. A659. P. 106-135.

  7. Abe K. et al. Indication of Electron Neutrino Appear­ance from an Accelerator-produced Off-axis Muon Neutrino Beam // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. P. 041801.

  8. Adamson P. et al. Improved search for muon-neutrino to electron-neutrino oscillations in MINOS // Phys. Rev. Lett. 2011. V. 107. P. 181802.

  9. Abe J. et al. Indication for the disappearance of reactor ve in the Double Chooz experiment // ArXiv: 1112.6353 [hep-ex].

  10. Abe K. et al. First Muon-Neutrino Disappearance Study with an Off-Axis Beam // Phys. Rev. 2012. V.D.85. P. 031103.

  11. Lobashev V.M. et al. Direct search for mass of neutrino and anomaly in the tritium beta spectrum // Phys. Lett. 1999. V. B460. P. 227-235.

  12. Kraus Ch. etal. Final results from phase II of the Mainz neutrino mass search in tritium beta decay // Eur. Phys. J. 2005. V. C40. P. 447-468.

  13. Barabash A.S. New generation of double beta decay ex­periments: are there any limitations? // ArXiv: 1109.6423 [nucl-ex].




  1. Сахаров А.Д. Нарушение CP-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселен­ной// Письма в ЖЭТФ. 1967. Т. 5. С. 32-35.

  2. Fukugita М., Yanagida Y. Bariogenesis without grand unification // Phys. Lett. 1986. V. B174. P. 45-47.

  3. AguilarA. et al. Evidence for neutrino oscillations from the observation of anti-neutrino (electron) appearance in a anti-neutrino (muon) beam // Phys. Rev. 2001. V. D64. P. 112007.

  4. Aguilar-Arevalo A.A. et al. Event Excess in the Mini-BooNE Search for Muon Antineutrino into Electron Antineutrino Oscillations // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105. P. 181801.

  5. MicroBooNe Collaboration // http://www-microboone. fnal.gov/

  6. Abdurashitov J.N. et al. Measurement of the response of a Ga solar neutrino experiment to neutrinos from an 37Ar source // Phys. Rev. 2006. V. C73. P. 045805.

  7. Kaether F. et al. Reanalysis of the GALLEX solar neu­trino flux and source experiments // Phys. Lett. 2010. V. B685. P. 47-54.

  8. Mention G. et al. The reactor antineutrino anomaly // Phys. Rev. 2011. V. D83. P. 073006.

  9. Adam T. et al. Measurement of the neutrino velocity with the OPERA detector in the CNGS beam // ArXiv: 1109.4897v2.


После выступления Ю.Г. Куденко ответил на вопросы.

Академик С.Н. Багаев: Эксперименты, о кото­рых вы рассказали, действительно уникальны. Но хотелось бы услышать, какой вклад в работу центров в Японии, Италии, Швейцарии вносят ведущие российские физики-ядерщики. Это очень важный момент. Кроме того, в России существует Институт ядерных исследований РАН, обладаю­щий нейтринной обсерваторией в Баксанском ущелье. Каково его участие в общемировой про­грамме работ, связанных с изучением нейтрино?



Ю.Г. Куденко: Отвечая на ваш вопрос, я хотел бы отдельно сказать о том, что происходит в Рос­сии и об участии российских научных коллекти­вов в зарубежных проектах. В нашей стране цен­тром исследований, о которых идёт речь, являет­ся Баксанская обсерватория. В ближайшее время здесь может быть выполнен галлий-германиевый эксперимент по поиску стерильных нейтрино — эксперимент, широко обсуждаемый мировой на­учной общественностью. У Баксанской обсерва­тории, конечно, есть конкуренты, потому что похожие эксперименты на короткой базе с ис­кусственными источниками нейтрино можно проводить и в других научных центрах мира. Тем не менее приоритетным является сам метод изготовления источников. Не меньший интерес представляют изучение двойного бета-распада и поиск тёмной материи, но для этих исследований

нужны большие вложения средств. Эксперимен­ты по поиску тёмной материи на базе Баксанской обсерватории могут проводиться очень эффек­тивно благодаря целой группе факторов, среди которых имеющиеся традиции и опыт исследова­ний, наличие инфраструктуры, особенно низко­фоновых шахт и камер, хорошая глубина. Кроме того, лаборатория удалена от реакторов, и есте­ственный фон здесь ниже, что создаёт условия для успешного осуществления экспериментов по детектированию геонейтрино. Значительным шагом вперёд, в том числе в плане конкуренции, станет создание крупной подводной установки на Байкале в целях исследований в области физики высокий энергий и, в частности, нейтрино высо­ких энергий.

Совершенно уникальный эксперимент по из­мерению массы электронного антинейтрино в бе­та-распаде трития был осуществлён Владимиром Михайловичем Лобашёвым в Троицке. Вряд ли стоит ожидать, что он даст революционные ре­зультаты, но стерильные нейтрино, если они су­ществуют, могут проявлять себя и в бета-распаде, поэтому, если продолжать эксперимент, он имеет хорошие перспективы. К тому же группа сотруд­ничает с немецким проектом "Катрин", задачей которого является измерение массы электронного антинейтрино с чувствительностью около 0.3 эВ.

Существует возможность проведения реактор­ных экспериментов, например, на Калининской атомной станции. Реальной является перспекти­ва поставить эксперименты на короткой, порядка 10—20 м, базе. Здесь у нас может появиться пре­имущество, поскольку после событий на станции "Фукусима" во всех странах вокруг реакторов и их использования сложилась непростая ситуация.

Что касается международного сотрудничества, я должен отметить: практически во всех перечис­ленных в докладе проектах участвуют российские учёные. Это в значительной мере связано с тем, что многие направления исследований были на­чаты и развивались в России. Я упоминал о вкла­де российских учёных в создание установки для эксперимента Т2К, но имеется и большой интел­лектуальный вклад — в формирование самой идеи эксперимента, в анализ данных. При этом, когда мы недавно сопоставляли участие в эксперименте различных коллективов, то обнаружили, что у нас одна из самых молодых групп по сравнению с американскими и европейскими университетами — шесть студентов и три аспиранта. В экспери­менте OPERA российские институты — Инсти­тут теоретической и экспериментальной физи­ки им. А.И. Алиханова (ИТЭФ), Объединённый институт ядерных исследований (ОИЯИ), Ин­ститут ядерной физики им. ПИ. Будкера СО РАН (ИЯФ) — участвовали в создании нейтринного канала в ЦЕРНе и детектора нейтрино в лабора­тории Гран Сассо (Италия). Курчатовский инсти­тут и ОИЯИ сотрудничают при проведении экс­периментов с реакторными нейтрино — здесь ис­пользуются традиции и опыт проведения таких экспериментов на отечественных реакторах. Грандиозный и очень интересный эксперимент такого типа с большим количеством ближних и дальних детекторов начинается в Китае при уча­стии ОИЯИ.

Академик Ю.С. Осипов: Что произойдёт, если результаты эксперимента OPERA подтвердятся?


1   2   3


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

    Главная страница