Новые результаты по осцилляциям нейтрино

15 июня 2011 г. коллаборация T2K, состоящая из примерно 500 физиков, представляющих 59 организаций (в том числе Институт ядерных исследований РАН) из 12 стран мира, объявила результаты первой стадии ускорительного эксперимента по поиску осцилляций нейтрино, начатого в январе прошлого года и вынужденно приостановленного в момент катастрофического землетрясения 11 марта 2011 года. Проявления нейтринных осцилляций, предсказанных Б. Понтекорво еще в 1957 г., уже были зарегистрированы в ряде других экспериментов, но в данном случае обнаружено ранее не наблюдавшееся возникновение электронных нейтрино из мюонных.

Аббревиатура T2K означает Tokai-to-Kamioka. В протонном ускорительном комплексе J-PARC, находящемся в г. Токаи (Япония), создается почти чистый пучок мюонных нейтрино. Частицы с энергией около 0,5 ГэВ, пролетев 295 км в недрах острова Хонсю, достигают детектора Супер-Камиоканде, расположенного для защиты от космического фона на километровой глубине под горами. В мишени детектора -просматриваемом фотоумножителями цилиндре с 50 килотоннами воды — некоторые нейтрино взаимодействуют с веществом, рождая заряженную частицу (электрон или мюон), которая в свою очередь создает вспышку черенковского излучения, «рисуя» кольцо света на стенке детектора.

Такое взаимодействие происходит крайне редко: из сотен триллионов нейтрино, прошедших сквозь центральную часть мишени, прореагировали лишь 88. Из них шесть оказались не мюонными, а электронными нейтрино. Ожидаемый фон раза в четыре меньше. Вероятность случайной имитации сигнала фоном оценена лишь в 0,7%, так что указание на реальный эффект достаточно значимо. Объяснить возникновение электронных нейтрино можно лишь осцилляциями — периодическими изменениями состава пучка, вызванными различием масс нейтрино и соответственно их различной волновой скоростью. В ранних экспериментах было зафиксировано исчезновение части мюонных нейтрино, а сейчас показано, что часть их превращается именно в электронные нейтрино.

Параметры, описывающие осцилляции трёх известных сортов нейтрино, включают в себя разности квадратов масс нейтрино и так называемые углы смешивания между ними. Эксперимент Т2К чувствителен к значению одного из этих углов, θ13, который, в частности, описывает вклад в электронную компоненту нейтрино от массового состояния, доминирующего в мюонной и тау-компоненте. Уже можно с достаточной уверенностью утверждать, что этот угол смешивания отличен от нуля.

Правда, статистика еще невелика, но в начале следующего года эксперимент будет продолжен. В будущем планируются также измерения на антинейтринном пучке, чтобы проверить, существуют ли различия в осцилляциях нейтрино и антинейтрино. Напомним, что такие различия недавно были выявлены в похожих по своей логике — тоже ускорительных — экспериментах MiniBooNE и MINOS (США). Они имеют прямое отношение к проблеме, стоящей полвека: к так называемому эффекту нарушения СР инвариантности, благодаря которому в нашей Вселенной почти нет антивещества.

Подробный обзор современного состояния дел в экспериментальных исследованиях нейтринных осцилляций на ускорителях недавно опубликован одним из участников эксперимента T2K Ю.Г. Куденко в «Успехах физических наук», см. http://ufn.ru/ru/articles/2011/6/a/. Описание эксперимента T2K и полученного результата можно найти в электронных препринтах arXiv:1106.1238 и 1106.2822.

Владислав Кобычев