Международная группа
физиков, работающих в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми
(Фермилаб) сообщает о первых результатах эксперимента NOvA. Задача этого
эксперимента — изучение осцилляций мюонного нейтрино к электронному,
позволяющих определить иерархию нейтрино.
Нейтрино — чрезвычайно легкие частицы, практически не участвующие в привычных
взаимодействиях. На них оказывает влияние лишь гравитация и слабое
взаимодействие (последнее проявляется лишь на очень малых масштабах,
характерные расстояния значительно меньше диаметра ядра атома). У нейтрино
известны три различных аромата (флейвора) — тау, электронное и мюонное, причем
возможны осцилляции, изменяющие этот аромат.
Когда нейтрино
рождается, оно имеет определенный флейвор, соответствующий суперпозиции массовых
состояний (обозначаемых ν1, ν2, ν3). В полете она эволюционирует, происходит
изменение доли массовых состояний и переход в другое флейворное состояние:
полностью или частично. Так, например, если в результате некоторого процесса
появилось нейтрино с мюонным флейвором, то на детекторе, пролетев несколько
километров, оно может проявить себя уже как электронное нейтрино. У этого
перехода есть строго определенная периодичность.
Одной из задач,
связанных с изучением осцилляций, является изучение иерархии масс нейтрино.
Периодичность осцилляции напрямую зависит от разности квадратов масс массовых
состояний. Ранние эксперименты с атмосферными, солнечными и реакторными
нейтрино указали на значение и знак первой из двух таких разностей — Δm212 и на
значение, но не знак Δm213. Это позволило определить, что две массы m1 и m2
близки, а m3 либо гораздо больше, либо гораздо меньше их. В первом случае
наблюдается нормальная иерархия, во втором — инверсная.
В эксперименте NOvA
напрямую наблюдаются осцилляции мюонных нейтрино: если бы они не происходили,
то ученые предсказывают, что детектор обнаружил бы 201 мюонное нейтрино. Но за
время эксперимента были зафиксированы лишь 33 таких частицы. Вместе с тем,
ученые обнаружили шесть электронных нейтрино, в то время как шум должен был
составить лишь одну детектированную частицу.
Как передает Science,
участники эксперимента в рамках семинара представили результаты обработки
примерно восьми процентов от ожидаемого количества данных. Как утверждает
издание, предварительно подтверждается нормальная иерархия нейтрино.
NOvA представляет собой
массивный нейтринный детектор, расположенный в Миннесоте. В 800 километрах от
него находится источник мюонного нейтрино — Фермилаб (штат Иллинойс). Пучок
нейтрино движется под землей, осциллируя и, впоследствии, попадая на детектор.
По словам ученых, информация об иерархии масс позволит разрешить ряд ключевых
вопросов, в частности, является ли нейтрино античастицей самой себе.
Эксперимент
NOvA по исследованию нейтрино
Нейтрино — одни из
самых неуловимых и интересных субатомных частиц, которые ученые пытаются изучать.
Лучшее понимание этих крохотных, слабо взаимодействующих частиц может открыть
новые области науки и помочь нам понять природу Вселенной. Пара объектов,
расположенных на расстоянии 800 километров друг от друга на среднем западе США,
могут стать первым шагом в этом процессе. Спустя пять лет строительства
эксперимент NOvA готов к изучению нейтрино, пока они пролетают эти 800
километров в мгновение ока.
Нейтрино сложно
изучать, поскольку из-за самой своей природы они редко взаимодействуют с
другими формами материи. Они были обнаружены лишь в середине 20 века, когда им
дали название, означающее «маленькие и нейтральные» на итальянском. Нет
никакого способа хранить нейтрино для долгосрочных исследований, поскольку для
нейтрино ни одно вещество не является твердым. Нейтрино могут проходить через
километры твердой материи практически бесследно. Иногда, правда, нейтрино
попадает в ядро атома и отклоняется. Именно такое столкновение и будет изучать
NOvA.
Эксперимент NOvA
использует слабое взаимодействие нейтрино, которое позволяет им проходить через
Землю из одной точки в другую — в этом случае из лаборатории Ферми в Батавии к
массивному детектору в Эш Ривер, Миннесота, рядом с канадской границей. 14
000-тонный детектор в Миннесоте не намного тверже для нейтрино, чем земная
кора, поэтому лаборатория Ферми будет отправлять большое количество нейтрино
прямо в детектор. Инструмент детектора на самом деле состоит из слоев
поливинилхлорида (ПВХ), заполненных жидкостью, которая излучает свет при
попадании нейтрино. Лаборатория Ферми считает, что дальний детектор NOvA может
быть самой крупной отдельно стоящей пластиковой структурой в мире.
Каждую секунду эксплуатации
в ближайшие шесть лет или около того ученые будут отправлять триллионы нейтрино
в сторону северной Миннесоты, чтобы обнаружить хотя бы горстку взаимодействий.
Детектор NOvA находится в отдаленном районе северной Миннесоты, поскольку
детекторы должны быть чрезвычайно чувствительны, чтобы увидеть редкие
нейтринные взаимодействия. Даже на расстоянии многих километров от
электромагнитного шума цивилизации космические лучи мешают детектору
обнаруживать нейтрино. Хотя возможно. У ученых есть преимущество: они точно
знают, откуда и сколько нейтрино выходит, их энергетический уровень и точное
время, когда каждое из них должно пройти через детектор.
В чем смысл всего
этого? NOvA специально настроен для исследования того, как нейтрино
переключаются между тремя различными состояниями в течение определенного
времени. Это может помочь нам ответить на один из главных вопросов в физике:
почему существует что, а не ничего? После Большого Взрыва возник определенный
дисбаланс в количестве вещества и антивещества, что помешало юной вселенной
аннигилировать в ноль, но почему? Нейтрино могут быть причиной, но ученым нужно
больше данных, чтобы проработать детали.