Завершенная картина: открытие последнего из возможных взаимодействий нейтрино

Когерентное рассеяние, особый вариант взаимодействия нейтрино с веществом, было предложено более сорока лет назад. Однако с тех пор физики бились над созданием достаточно чувствительной экспериментальной установки. Наконец это удалось – и открытие имеет далеко идущие научные и технологические последствия.

Открытие нейтрино по трекам частиц в пузырьковой камере.

Нейтральная позиция

Нейтрино – одни из самых неуловимых частиц в Стандартной модели. Они не обладают электрическим зарядом и практически ничего не весят: по самым оптимистичным оценкам, их масса в 500 раз меньше массы электрона. По результатам некоторых экспериментов, нейтрино и того легче и являются практически безмассовыми.

Существуют три типа нейтрино – электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они участвуют только в двух типах взаимодействия из четырех, слабом и гравитационном. При этом вероятность реакции с веществом крайне мала, нейтрино могут свободно пролететь десятки и сотни световых лет, ни с чем не провзаимодействовав, прибывая к нам даже из других галактик.

Нейтринный детектор Kamiokande.

Размер имеет значение

Из-за этого детектирование нейтрино в земных условиях оказывается сильно затруднено. Несмотря на то, что теоретически количество прилетающих на землю нейтрино должно быть довольно велико, лишь единицы вступят в реакцию, которую смогут зарегистрировать приборы.

Для увеличения вероятности взаимодействия, детекторы нейтрино делают очень большими: они занимают сотни и тысячи кубических метров. Для уменьшения шумов их располагают под землей, например, в бывших шахтах. И тем не менее, даже для каких-то интенсивных источников, число зарегистрированных нейтрино измеряется десятками.

​Пузырьковая камера «Гаргамель».

Частицы «на кончике пера»

Физика элементарных частиц одной из своих главных задач ставит объединение в одну теорию четырех типов взаимодействия, существующих в природе: сильного, слабого, электромагнитного и гравитационного. Первый прорыв в этом направлении был сделан в 1968 году, когда Стивен Вайнберг, Абдул Салам и Шелдон Глэшоу построили общую модель электромагнетизма и слабых взаимодействий – электрослабую теорию. За эту работу они были награждены Нобелевской премией по физике в 1979 году и в ней, среди прочего, было предсказано существование переносчиков слабого взаимодействия, W- и Z-бозонов.

Нейтрино, не обладающие электрическим зарядом, должны взаимодействовать с другими частицами при помощи обмена нейтральным Z-бозоном. Подобные реакции легли в основу поиска переносчика слабого взаимодействия, и косвенные указания действительно были получены в экспериментах в пузырьковой камере «Гаргамель» в CERN и в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab) в 1973-1974 годах.

Схема реакции когерентного рассеяния нейтрино.

«Один за всех»

Подтвержденное существование Z-бозона сразу же навело физиков на еще одну интересную мысль. Атомы любого вещества состоят уже не из одной частицы, а сразу из многих. Взаимодействие нейтрино с атомами может идти по двум сценариям: когерентного и некогерентного рассеяния.

Когерентным называется такое рассеяние, при котором атомное ядро ведет себя не просто как набор отдельных частиц: взаимодействия нейтрино с отдельными фрагментами в некотором смысле складываются и усиливаются.

«Усиление» выражается в резком увеличении вероятности взаимодействия нейтрино с веществом при определенных энергиях, которые определяются размерами мишени-атома. Когерентное рассеяние было предсказано еще в 1974 году Дэниелом Фридманом, и по предположениям, позволило бы подробнее изучить свойства слабого взаимодействия.

Экспериментальная установка COHERENT.

Переулок нейтрино

С экспериментальной точки зрения, при когерентном рассеянии нейтрино как бы «пинает» атомы вещества. Они, в свою очередь, врезаются в ближайших соседей и производят излучение, которое затем возможно зарегистрировать. Принципиальную роль играет выбор вещества: с одной стороны, чем тяжелее атом, тем больше вероятность взаимодействия; с другой – отскок массивной частицы при «ударе» будет меньше, а значит и измерить эффект будет сложнее.

Физикам понадобилось целых сорок три года для регистрации когерентного рассеяния нейтрино. Специалисты национальной лаборатории Оук-Ридж в США создали установку, в которой мишень, состоящая из соединения цезия и йода с примесью натрия облучается источником нейтрино. Размеры поражают – всего лишь 30 сантиметров в длину, 10 сантиметров в высоту при весе 14.6 килограмм. Для защиты от внешнего излучения, установку поместили в 12-метровый коридор, так называемый «переулок нейтрино», в подвале здания, где слой бетона и гравия стал отличным поглотителем сторонних частиц.

Стерильные нейтрино.

Будет ли польза?

Спустя 15 месяцев измерений ученые смогли с уверенностью сказать, что когерентное рассеяние нейтрино действительно наблюдается. Пока что данных недостаточно для детального анализа, однако уже были поставлены ограничения на экзотические взаимодействия нейтрино с атомным ядром вне Стандартной модели.

Открытие когерентного рассеяния не просто завершает список наблюдения всех возможных реакций нейтрино. Дальнейшие измерения необходимы, во-первых, для исследования свойств «неуловимых частиц»: поиска четвертого поколения, стерильных нейтрино и других частиц вне Стандартной модели, измерения магнитных характеристик. Также результаты могут использоваться для изучения структуры атомного ядра и свойств слабого взаимодействия, поиска частиц темной материи.

С другой стороны, это несомненный прорыв с технологической точки зрения: вместо детекторов, занимающих целые подземные пещеры, удалось создать компактное устройство, которое может использоваться для отслеживания состояния ядерных реакторов.