Получены первые намеки на эффект Михеева–Смирнова–Вольфенштейна при движении нейтрино сквозь Землю

Коллаборация Super-Kamiokande, работающая на одноименном детекторе нейтрино, сообщает, что в данных, накопленных за 18 лет работы, начинает проступать эффект Михеева–Смирнова–Вольфенштейна, вызванный прохождением нейтрино сквозь толщу Земли. До сих пор этот теоретически предсказанный эффект проверялся только косвенно; новый результат представляет собой первую прямую его проверку.


Нейтринная физика

Нейтринная физика в последние годы на подъеме. Нейтрино — совершенно особенные объекты, непохожие на другие частицы. Можно даже сказать, что свойства нейтрино — их мизерные, но ненулевые массы, их сильные осцилляции и прочие их характеристики — выходят за пределы Стандартной модели физики элементарных частиц. Правда, пока что остается непонятным, куда именно они выходят, на какие именно новые теории они намекают. Поэтому, тщательно изучая нейтрино, физики надеются заметить нечто, что они уже давно и безрезультатно ищут на коллайдерах высоких энергий.

Регистрировать нейтрино очень трудно. Однако в распоряжении физиков есть очень интенсивные источники нейтрино, как природные (Солнце, космические лучи, естественная радиоактивность), так и искусственные (ядерные реакторы, пучки нестабильных частиц). Умножение ничтожной вероятности регистрации каждого отдельного нейтрино на огромный нейтринный поток приводит в конце концов к небольшому, но вполне надежно отслеживаемому темпу регистрации нейтринных событий. Детекторы нейтрино, коих во всём мире уже десятки, накапливают статистику годами, а затем физики, обработав ее, измеряют разнообразные характеристики нейтрино.

Об активности этой темы говорит тот факт, что практически ежегодно физики открывают для себя какую-то новую сторону нейтринных свойств. Коллаборация Super-Kamiokande, работающая на одноименном японском нейтринном детекторе, сообщает, что ей впервые удалось напрямую зарегистрировать воздействие вещества на свойства нейтринных осцилляций — так называемый эффект Михеева–Смирнова–Вольфенштейна. По правде говоря, этот теоретически предсказанный эффект уже считается экспериментально доказанным. Однако его подтверждение до сих пор было косвенным — через воздействие солнечных глубин на свойства рожденных в центре Солнца нейтрино. Сейчас Super-Kamiokande сообщает о том, что этот эффект начинает проявляться и при прохождении нейтрино сквозь толщу Земли. Детектор видит, что потоки солнечных нейтрино, попадающих в детектор днем и ночью, заметно различаются, что и свидетельствует о влиянии земного вещества на движение нейтрино.

Осцилляции нейтрино и МСВ-эффект

Рассказ об этой работе следует начать с пояснения, что такое осцилляции нейтрино. Физикам известны три сорта нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Они все нейтральны и обладают некоторыми другими одинаковыми свойствами, поэтому их можно смешивать друг с другом. Каждое конкретное нейтрино не обязано быть строго электронным или строго мюонным, а может существовать в виде их комбинации: отчасти электронное, отчасти мюонное. Такая возможность — неизбежное следствие квантовой механики. Оказывается, это не просто гипотетическая возможность; нейтрино в самом деле ведут себя именно так. Более того, доля электронного или мюонного нейтрино не фиксирована, а меняется во время движения. То, что родилось в распаде нестабильной частицы как чисто мюонное нейтрино, по ходу движения приобретает некоторую долю «электронности», а на еще большем удалении оно снова может стать мюонным, и т. д. Такое периодическое изменение сорта нейтрино при их движении и называется нейтринными осцилляциями (рис. 2).

Нейтринные осцилляции — факт, экспериментально подтвержденный на многочисленных нейтринных детекторах. Фундаментальная причина осцилляций — в разбалансировке масс и сортов нейтрино. Нейтрино определенной массы не обладает каким-то определенным сортом. И наоборот, нейтрино определенного сорта (например, электронное), не обладает определенной массой. А вот откуда в свойствах нейтрино взялась такая разбалансировка — доподлинно не известно, это одна из главных загадок нейтрино.

В новой статье коллаборации Super-Kamiokande речь идет не просто об осцилляциях нейтрино, а о том, как на них влияет толща Земли. Это явление уже более тонкое, и называется оно эффектом Михеева–Смирнова–Вольфенштейна (МСВ). МСВ-эффект — это дополнительные осцилляции, которые испытывают нейтрино при движении сквозь плотное вещество. Это чем-то напоминает то, что происходит со светом, когда он летит в прозрачной среде. Свет взаимодействует с атомами среды, и это взаимодействие меняет свойства световой волны — она движется медленнее. Нейтрино в веществе ведет себя аналогично: оно взаимодействует с электронами вещества, и это слегка меняет его скорость. Этот эффект работает по-разному для электронных и мюонных нейтрино (всё-таки в веществе у нас имеются электроны, а не мюоны!), а значит, он модифицирует и осцилляции между нейтрино разного сорта: меняется длина осцилляций и их интенсивность.

Это самая простая разновидность МСВ-эффекта, относящаяся к движению нейтрино сквозь среду постоянной плотности; именно она была описана Вольфенштейном в его работе 1978 года. Для описания движения нейтрино сквозь Землю этого эффекта достаточно. Вторая, более любопытная и более важная версия этого эффекта — это резкое усиление осцилляций в среде с плавно изменяющейся плотностью. Такие условия существуют внутри Солнца: нейтрино, рожденное в солнечных глубинах, выходит наружу и проходит через всю толщу солнечного вещества с постепенно уменьшающейся плотностью. Этот эффект описали в 1986 году Михеев и Смирнов, и именно он оказался ключевым моментом в решении загадки солнечных нейтрино.

«Солнечная» версия МСВ-эффекта была, фактически, подтверждена в начале 2000-х годов. Физики тогда смогли наконец-то измерить потоки всех типов нейтрино, летящих от Солнца, и убедились, что результаты сходятся с теорией. Однако это подтверждение, конечно, является косвенным. Солнце нам дано в единственном экземпляре; мы не можем поставить контрольный эксперимент — убрать все слои Солнца, кроме самого центрального, и проверить, как изменится поток нейтрино.

Прямую проверку МСВ-эффекта может дать Земля — достаточно сравнить поток солнечных нейтрино, которые попадают в установку днем и ночью. Дневные нейтрино попадают в детектор сразу из межпланетного пространства (тонкая земная атмосфера не в счет), а ночные проходят вначале тысячи километров сквозь земную толщу, прежде чем достигнут детектора (рис. 3). Количество нейтрино, падающих на Землю, в обоих случаях одинаково, но ночные нейтрино имеют дополнительный шанс превратиться из мюонных в электронные. А поскольку детектор Super-Kamiokande регистрирует преимущественно электронные нейтрино, он должен увидеть усиление ночного потока нейтрино по сравнению с дневным.

Теория предсказывает, что для нейтрино с энергией несколько МэВ эффект должен получиться небольшим, для описываемой ситуации он составляет примерно 3,3%. Следовательно, для его обнаружения потребуется накопить довольно большую статистику нейтринных попаданий, иначе небольшое отличие просто будет незаметным на фоне статистических флуктуаций. А поскольку нейтрино — трудноуловимые частицы, неудивительно, что до сих пор этот эффект не обнаруживался.

В опубликованной на днях статье коллаборация приводит результат, полученный уже из данных за 18-летний период работы. Разница между ночным и дневным потоками составляет сейчас (3,2 ± 1,1 ± 0,5)%. При объединении этого результата с данными другого нейтринного детектора, SNO, разница потоков становится еще чётче: (2,9 ± 1,0)%. Это число уже практически дотягивает до величины в три стандартных отклонения — той границы, за которой физики уже серьезно говорят об указании на наличие эффекта.

Таким образом, МСВ-эффект, по всей видимости, стал наконец-то виден напрямую, а не только косвенно. Впрочем, окончательное открытие будет объявлено только тогда, когда статистическая значимость эффекта достигнет 5 стандартных отклонений. Для этого потребуется либо еще одно десятилетие набора данных, либо существенное увеличение размеров детектора. Такие планы у японской группы уже имеются. В ближайшие годы начнется реализация проекта Hyper-Kamiokande, который должен как минимум на порядок улучшить чувствительность детектора к сверхредким процессам, включая регистрацию нейтрино. Когда он будет построен, он за считанные месяцы превзойдет нынешний результат.

Последний момент, который полезно подчеркнуть: зачем физики стремятся измерить разницу нейтринных потоков днем и ночью, если всё и так вполне сходится с теорией. Дело в том, что эта разница зависит от свойств нейтрино, а сами эти свойства известны намного хуже, чем свойства других частиц. Это связано как с трудностью регистрации нейтрино, так и с их непохожестью на другие частицы. Нейтрино в миллиарды раз легче других частиц, и никто не знает, почему; впрочем, большинство физиков подозревает, что механизм обретения массы у нейтрино совершенно иной, нехиггсовский. Нейтрино смешиваются друг с другом, но их параметры смешивания известны с большими погрешностями. Наконец, совершенно неизвестно, нарушается ли CP-симметрия в нейтринных процессах — соответствующая величина пока не поддается измерению. Физики чувствуют, что нейтрино могли бы им рассказать много интересного, и поэтому пытаются всеми способами уточнить их параметры. Точное измерение разницы между дневным и ночным потоками солнечных нейтрино — один из способов это сделать.