Зарегистрировано «превращение» мюонных нейтрино в электронные

Физики, занятые в международном проекте Т2К, зарегистрировали «превращение» мюонных нейтрино в электронные. Об этой необычной способности нейтрино — стабильных нейтральных частиц, слабо взаимодействующих с веществом, — заговорили в 60-х годах прошлого века, когда будущий лауреат Нобелевской премии Рэймонд Дэвис и его коллеги провели эксперимент по обнаружению электронных нейтрино, испускаемых Солнцем.

Поскольку зафиксированное в опыте количество частиц заметно уступало расчётному, учёным пришлось искать новые модели, и наиболее известную из них предложили советские теоретики Бруно Понтекорво и Владимир Грибов. Недостаток частиц они объяснили тем, что нейтрино разных поколений (электронные νе, мюонные νμ или таонные ντ) могут «превращаться» друг в друга; иными словами, вероятность обнаружения нейтрино определённого сорта периодически изменяется по мере его движения.

Такое явление, возможное только при ненулевой массе нейтрино, назвали нейтринными осцилляциями. Стоит напомнить, что в оригинальной версии Стандартной модели осцилляции и ненулевая масса не описываются, хотя включить их в эту теоретическую конструкцию довольно легко.

Для описания осцилляций используют матрицу Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты и так называемые углы смешивания θ12, θ23 и θ13. Первые два угла уже измерены, а величина третьего, самого маленького, ограничена сверху выражением sin2(2θ13) < 0,15. Задачей проекта Т2К, участники которого пытаются отследить появление электронных нейтрино в специально подготовленном пучке νμ, стало как раз измерение θ13.

Подробная характеристика эксперимента Т2К даётся в статье, которую вскоре опубликует журнал Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. Если это описание максимально упростить, можно представить опытную схему в виде трёх связанных элементов.

Упрощённая схема эксперимента Т2К (иллюстрация из журнала Nuclear Instruments and Methods in Physics Research).
Упрощённая схема эксперимента Т2К (иллюстрация из журнала Nuclear Instruments and Methods in Physics Research).

Первым из них будет ускоритель (на схеме обозначен как J-PARC), разгоняющий протоны до 30 ГэВ и направляющий их на графитовую мишень с целью получения пионов, распадающихся с образованием мюонов и мюонных нейтрино. В 280 метрах от мишени размещён второй компонент — комплекс детекторов, которые оценивают параметры сформированного нейтринного пучка. Наиболее важная часть схемы — подземный детектор Super-Kamiokande, регистрирующий появление электронных нейтрино и исчезновение νμ, — удалена на 295 км от ускорителя. Super-Kamiokande имеет вид огромного цилиндра диаметром в 39 и высотой в 41 м, разделённого на внешнюю и внутреннюю части. Последняя имеет больший объём и заполнена сверхчистой водой, с которой взаимодействуют приходящие нейтрино, рождая заряженные частицы и черенковское излучение; чтобы регистрировать это излучение, физики разместили на стенках внутренней области 11 129 фотоэлектронных умножителей. Внешняя (относительно небольшая) часть Super-Kamiokande оснащена 1 885 фотоумножителями и используется для подавления фона.

Детектор Super-Kamiokande (иллюстрация из журнала Nuclear Instruments and Methods in Physics Research).
Детектор Super-Kamiokande (иллюстрация из журнала Nuclear Instruments and Methods in Physics Research).

Представленные участниками Т2К результаты были получены при обработке информации, собранной в период с января 2010-го по март текущего года. За это время Super-Kamiokande зарегистрировал 88 нейтринных событий, шесть из которых имели все признаки взаимодействий электронного нейтрино. Если бы осцилляций вида νμ → νе не существовало, в эксперименте, как подсказывают теоретические расчёты, было бы отмечено только 1,5 ± 0,3 «электронных» события.

Следовательно, вероятность того, что обнаруженные сигналы случайны, составляет всего 0,7%. Это значение соответствует статистической значимости в 2,5 стандартного отклонения (2,5σ). «Назвать такой результат открытием мы пока не можем [необходима значимость в 5σ], но для T2К он, безусловно, важен», — говорит представитель научной группы Коичиро Нишикава (Koichiro Nishikawa).

Продолжить эксперимент в марте 2011-го помешало землетрясение, нарушившее работу ускорителя. Восстановить схему Т2К учёные планируют к началу следующего года, а надёжную оценку величины θ13 они хотят получить в середине 2013-го.

Полная версия отчёта будет опубликована в журнале Physical Review Letters; препринт статьи можно скачать отсюда.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.

17 Июня 2011, 3:03    Den    3601    0

Нет комментариев.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите или зарегистрируйтесь пожалуйста.