Получены первые свидетельства влияния земного вещества на превращения нейтрино

Когда нейтрино, рождаемые Солнцем, проходят сквозь нашу планету и вылетают на другой стороне, взаимодействие с электронами земного вещества заставляет их чаще обычного превращаться в одну из трёх разновидностей этой частицы. Похоже, на горизонте замаячило нейтринное исследование глубин Земли, и не только оно.

Нейтрино, как известно, очень трудно зарегистрировать, поэтому полная информация об их поведении часто появляется лишь через много лет работы с крупным детектором. Вот почему публикация обзора данных нейтринного детектора SuperKamiokande, расположенного в Японии, — событие чрезвычайной важности.

Как и предсказывал полвека назад советский физик Б. М. Понтекорво, нейтрино склонны к осцилляции — переходу нейтрино одного типа в нейтрино другого типа, надёжно подтверждённому лишь в последнее время. Именно поэтому долгие годы наблюдений за солнечными нейтрино давали столь малое число регистраций электронного нейтрино, которое не совпадало с расчётами физиков: электронные нейтрино на пути от светила к земным детекторам просто превращались в свои мюонные и тау-аналоги.

Но на этом странности с солнечными нейтрино не заканчиваются. Проанализировав данные, полученные за годы работы SuperKamiokande, исследователи во главе с Эндрю Реншоу (Andrew Renshaw) из Калифорнийского университета в Ирвайне (США) пришли к выводу, что поток электронных нейтрино из этого источника ночью (по японскому времени) был на 3,2% больше, чем в дневное время.

Это наблюдение неплохо укладывается в рамки эффекта Михеева — Смирнова — Вольфенштайна (МСВ), теоретически обоснованного в 1986 году, когда советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов расширили вывод, сделанный в 1978-м американским теоретиком Линкольном Вольфенштайном. По мнению этих учёных, при движении нейтрино в среде, в которой присутствуют слабо взаимодействующие с ним электроны, у него возникает эффективная масса, зависящая от плотности этих электронов и от поколения нейтрино. При изменении плотности электронов (разные слои Земли) эффективные массы нейтрино разных поколений изменяются по-своему и при некоторых значениях плотности могут совпадать, приводя к резонансному усилению нейтринных превращений. Итак, нейтринная осцилляция прямо зависит от материала, через который проходит поток нейтрино, и в космосе она будет одной, а в планетарной толще — совсем иной.

До сих пор подтвердить эффект МСВ с высокой надёжностью наблюдениями не удавалось, и лишь теперь данные SuperKamiokande позволяют с уверенность говорить о его регистрации для тех солнечных электронных нейтрино, что проходят через Землю, — ведь именно их детектор регистрирует ночью.

Большое количество электронов, участвующих в слабом взаимодействии и тем самым способных хотя и очень слабо, но влиять на нейтрино, заставляли тау- и мюонные его разновидности превращаться в электронные, то есть действовали в направлении прямо противоположном превращению электронных нейтрино в тау и мюонные, которое происходит с этими частицами в межпланетном пространстве при их движении от Солнца к Земле. Увы, пока статическая значимость эффекта на данном комплексе детекторов равна лишь 2,7σ, что по физическим меркам не так уж много. Правда, в сочетании с измерениями, проведёнными на более слабом оборудовании Нейтринной обсерватории Садбери (Канада), эта значимость повышается до 2,9σ, но и это далеко от тех 5σ, которые требуются физику для того, чтобы уверенно выговорить слово «открытие». Всё, что ниже трёх сигм, принято называть скорее «свидетельством». И всё-таки перед нами весомое указание на то, что эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштайна существует.

К сожалению, то, что даже 18 лет наблюдений не дали трёх сигм, вполне закономерно, — нейтрино известны трудностью их регистрации. И чтобы превратить это открытие в пять сигм, явно потребуются данные других детекторов. Впрочем, теперь, после публикации этих результатов, на такую помощь можно надеяться.

Дело в том, что если эффект реален, то он важен не только в теоретическим смысле, для объяснения суточных колебаний в регистрации электронных солнечных нейтрино. Перед нами, быть может, новый метод глубокого исследования недр Земли. Очевидно, что концентрация электронов прямо связана с тем, какие именно вещества и соединения находятся на пути солнечных нейтрино от одной стороны планеты до другой. Размещая нейтринные детекторы в разных точках планеты, можно сравнивать их данные и тем самым хотя и косвенным образом, но всё же исследовать недра так, как это никогда никому не удавалось.

Стоит заметить, что Научный совет Японии уже выбрал крупный и эффективный детектор нейтрино — HyperKamiokande — как один из наиболее приоритетных научных проектов на ближайшее будущее. Быть может, вскоре исследования превращений нейтрино, в том числе в земных недрах, выйдут на принципиально новую ступень. HyperKamiokande планируется как группа детекторов, в 25 раз превосходящая SuperKamiokande по размерам, а ведь в последнем 50 000 тонн воды в цилиндрах и более 11 000 фотоумножительных трубок.

«Будет ли он достаточно большим, чтобы сделать измерения плотности [внутренних областей] Земли с интересующей нас чувствительностью? Я в этом не уверен, — говорит Дэвид Уарк (David Wark), физик из Оксфордского университета, не принимавший участия в исследовании. — Но мы обязательно исследуем и эту возможность по мере продвижения проекта HyperKamiokande».

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Physical Review Letters., а с его препринтом можно ознакомиться здесь.

Подготовлено по материалам Physicsworld.Com.