Нейтринные осцилляции для чайников

    Про нейтринные осцилляции слышали почти все гики. Про это явление написано много профессиональной литературы и куча популярных статей, но вот только авторы учебников считают, что читатель разбирается в теории поля, да еще и квантовой, а авторы популярных статей обычно ограничиваются фразами в стиле: «Частички летят-летят, а потом БАЦ и превращаются в другие», причем с другой массой (!!!). Постараемся разобраться, откуда берется этот интереснейший эффект и как его наблюдают с помощью огромных установок. А заодно узнаем, как можно найти и извлечь несколько нужных атомов из 600 тонн вещества.
    image

    Еще одно нейтрино


    В предыдущей статье я рассказывал, как в 1932 году появилась сама идея существования нейтрино и как эта частица была обнаружена 25 лет спустя. Напомню, Райнес и Коуэн зарегистрировали взаимодействие антинейтрино с протоном $\bar{\nu}+p\to n+e^+$. Но уже тогда многие ученые полагали, что нейтрино может быть нескольких типов. Нейтрино, активно взаимодействующее с электроном, назвали электронным, а нейтрино, взаимодействующее с мюоном, соответственно, мюонным. Экспериментаторам необходимо было разобраться — различаются ли эти два состояния или нет. Ледерман, Шварц и Стейнбергер провели выдающийся эксперимент. Они исследовали пучок пи-мезонов от ускорителя. Такие частицы охотно распадаются на мюон и нейтрино.

    $\pi\to \mu+\nu$


    Если нейтрино действительно имеет разные сорта, то рождаться должно мюонное. Дальше все просто — на пути рожденных частиц ставим мишень и исследуем, как они взаимодействуют: с рождением электрона или мюона. Опыт однозначно показал, что электроны почти не рождаются.

    $\nu_{\mu}+p\rightarrow n+\mu \\ \nu_{\mu}+p\nrightarrow n+e$


    Итак, теперь у нас есть два типа нейтрино! Мы готовы переходить к следующему шагу в обсуждении нейтринных осцилляций.

    Это какое-то «неправильное» Солнце


    В первых нейтринных экспериментах использовали искусственный источник: реактор или ускоритель. Это позволяло создавать очень мощные потоки частиц, ведь взаимодействия чрезвычайно редки. Но куда интереснее было зарегистрировать природные нейтрино. Особенный интерес представляет изучение потока частиц от Солнца.

    К середине XX века уже было понятно, что в Солнце отнюдь не горят дрова — посчитали и выяснилось, что дров не хватит. Энергия выделяется при ядерных реакция в самом центре Солнца. Например, основной для нашей звезды процесс называется "протон-протонный цикл", когда из четырех протонов собирается атом гелия.

    image

    Можно заметить, что на первом шаге должны рождаться интересующие нас частицы. И вот тут нейтринная физика может показать всю свою мощь! Для оптического наблюдения доступна только поверхность Солнца (фотосфера), а нейтрино беспрепятственно проходит через все слои нашей звезды. В результате регистрируемые частицы исходят из самого центра, где они и рождаются. Мы можем «наблюдать» непосредственно ядро Солнца. Естественно, такие исследования не могли не привлекать физиков. К тому же ожидаемый поток составлял почти 100 миллиардов частиц на квадратный сантиметр в секунду.

    Первым такой эксперимент поставил Раймонд Дэвис в крупнейшем золотом руднике Америки — шахте Хоумстейк. Установку пришлось прятать глубоко под землю, чтобы защититься от мощного потока космических частиц. Нейтрино без проблем может пройти через полтора километра горной породы, а вот остальные частицы будут остановлены. Детектор представлял из себя огромную бочку, заполненную 600 тоннами тетрахлорида — соединения 4 атомов хлора. Это вещество активно используется при химчистке и достаточно дешево.

    image

    Такой способ регистрации предложил Бруно Максимович Понтекорво. При взаимодействии с нейтрино хлор превращается в нестабильный изотоп аргона,

    $\nu_{e} + {}^{37}Cl\to {}^{37}Ar+e^-$


    который захватывает электрон с нижней орбитали и распадается обратно в среднем за 50 дней.

    ${}^{37}Ar+e^{-}\to {}^{37}Cl +\nu_{e}$


    Но! В день ожидается всего около 5 взаимодействий нейтрино. За пару недель наберется всего 70 народившихся атомов аргона, и их надо найти! Найти несколько десятков атомов в 600 тонной бочке. Поистине фантастическая задача. Раз в два месяца Дэвис продувал бочку гелием, выдувая образовавшийся аргон. Многократно очищенный газ помещался в маленький детектор (счетчик Гейгера), где считалось количество распадов получившегося аргона. Так измерялось количество нейтринных взаимодействий.

    Почти сразу же оказалось, что поток нейтрино от Солнца почти в три раза ниже ожидаемого, что произвело большой фурор в физике. В 2002 году Дэвис совместно с Косиба-сан разделили Нобелевскую премию за весомый вклад в астрофизику, в части обнаружения космического нейтрино.

    image

    Небольшая ремарка: Дэвис регистрировал нейтрино не от протон-протонной реакции, которую я описал выше, а от чуть более сложных и редких процессов с бериллием и бором, но сути это не меняет.

    Кто виноват и что делать?


    Итак, нейтринный поток в три раза меньший, чем ожидалось. Почему? Можно предложить следующие варианты:

    1. Неверна модель Солнца. Несмотря на многолетние оптические наблюдения мы совершенно не понимаем, как работает Солнце. Общий нейтринный поток меньше ожидаемого;
    2. Что-то не так с самими нейтрино. Например, они меняют тип по пути к Земле ($\nu_e\to\nu_\mu$) и уже не могут взаимодействовать с рождением электрона. Общий поток $\nu_e+\nu_\mu$ не поменялся.

    Эти непостоянные нейтрино


    За год до получения результатов эксперимента Дэвиса уже упоминавшийся Бруно Понтекорво разрабатывает теорию, как именно нейтрино могут менять свой тип в вакууме. Одно из следствий — у разных типов нейтрино должна быть разная масса. И с какой это стати частицы должны вот так вот на лету взять и поменять свою массу, которая, вообще говоря, должна сохраняться? Давайте разбираться.

    Без небольшого введения в квантовую теорию нам не обойтись, но я постараюсь сделать это объяснение максимально прозрачным. Понадобится только базовая геометрия. Состояние системы описывается «вектором состояния». Раз есть вектор, значит должен быть и базис. Давайте рассмотрим аналогию с цветовым пространством. Наше «состояние» — это зеленый цвет. В базисе RGB мы запишем этот вектор как (0, 1, 0). Но вот в базисе CMYK почти тот же самый цвет будет записываться уже по-другому (0.63, 0, 1, 0). Очевидно, что у нас нет и не может быть «главного» базиса. Для разных нужд: изображения на мониторе или полиграфии, мы должны использовать свою систему координат.

    Какие же базисы будут для нейтрино? Вполне логично разложить нейтринный поток на разные типы: электронное ($\nu_e$), мюонное ($\nu_\mu$) и тау ($\nu_\tau$). Если у нас из Солнца летит поток исключительно электронных нейтрино, то это состояние (1, 0, 0) в таком базисе. Но как мы уже обсуждали, нейтрино могут быть массивными. Причем обладать разными массами. А значит можно разложить поток нейтрино и по массовым состояниям: $\nu_1, \nu_2, \nu_3$ с массами $m_1, m_2, m_3$ соответственно.

    Вся соль осцилляций в том, что эти базисы не совпадают! Синим на картинке показаны типы (сорта) нейтрино, а красным состояния с разными массами.

    image

    То есть, если в распаде нейтрона появилось электронное нейтрино, то появились сразу три массовых состояния (спроектировали $\nu_e$ на $\nu_1, \nu_2, \nu_3$). Но распространяются эти состояния с разной скоростью, так как импульсы одинаковые, а массы разные. В результате вектор состояния начинает слегка поворачиваться. Взаимодействует же нейтрино в зависимости от типа ($e, \mu, \tau$). Поэтому, когда мы хотим посчитать, как же нейтрино себя проявит, нужно спроектировать наш вектор состояния на ($\nu_e, \nu_\mu, \nu_\tau$). И таким образом получится вероятность зарегистрировать тот или иной тип нейтрино. Вот такие волны вероятности мы получим для электронного нейтрино в зависимости от пройденного расстояния:

    image

    Насколько сильно будет меняться тип задается относительными углами описанных систем координат (показаны на предыдущем рисунке $\theta_{ij}$) и разницами масс.

    Если вас не пугает терминология квантовой механики, и вам хватило терпения дочитать до этого момента, то простое формальное описание можно найти в Википедии.

    А как на самом деле?


    Теория это, конечно, хорошо. Но до сих пор мы не можем определиться какой из двух вариантов реализован в природе: Солнце «не такое» или нейтрино «не такие». Нужны новые эксперименты, которые окончательно покажут природу этого интересного эффекта. Буквально в двух словах опишу основные установки, которые сыграли ключевую роль в исследованиях.

    Обсерватория Камиока


    История этой обсерватории начинается с того, что здесь пытались найти распад протона. Именно поэтому детектор получил соответствующее название — «Камиоканде» (Kamioka Nucleon Decay Experiment). Но ничего не обнаружив, японцы быстро переориентировались на перспективное направление: исследование атмосферных и солнечных нейтрино. О том, откуда берутся солнечные мы уже обсуждали. Атмосферные рождаются в распадах мюонов и пи-мезонов в атмосфере Земли. И пока долетают до Земли успевают осциллировать.

    Детектор начал набирать данные в 1987. С датами им дико повезло, но об этом следующая статья:) Установка представляла из себя огромную бочку, заполненную чистейшей водой. Стенки были замощены фотоумножителями. Основная реакция, по которой ловили нейтрино это выбивание электрона из молекул воды:

    $\nu_e+e_{в\space атоме}^-\to\nu_e+e_{свободный}^-$


    Быстролетящий свободный электрон светится в воде темно голубым цветом. Это излучение и регистрировали ФЭУ на стенках. Впоследствии установка была усовершенствована до Супер-Камиоканде и продолжила свою работу.

    image

    Эксперимент подтвердил дефицит солнечных нейтрино и добавил к этому дефицит атмосферных нейтрино.

    image

    Галлиевые эксперименты


    Почти сразу после запуска Какиоканде в 1990 начали работу два галлиевых детектора. Один из них располагался в Италии, под горой Гранд-Сассо в лаборатории с одноименным названием. Второй — на Кавказе, в Баксанском ущелье, под горой Андырчи. Специально для этой лаборатории в ущелье был построен поселок Нейтрино. Сам метод был предложен Вадимом Кузьминым, вдохновленным идеями Понтекорво, еще в 1964 году.

    ${}^{71}Ga+\nu_e\to{}^{71}Ge+e^-$


    При взаимодействии с нейтрино галлий превращается в нестабильный изотоп германия, который распадается обратно в галлий в среднем за 16 дней. За месяц образуется несколько десятков атомов германия, которые нужно очень тщательно извлечь из галлия, поместить в небольшой детектор и сосчитать количество распадов обратно в галлий. Преимущество галлиевых экспериментов в том, что они могут ловить нейтрино очень низких энергий, недоступные другим установкам.

    Все вышеописанные эксперименты показали, что мы видим меньше нейтрино, чем ожидали, но это не доказывает присутствие осцилляций. Проблема по-прежнему может быть в неправильной модели Солнца. Эксперимент SNO поставил последнюю и жирную точку в проблеме солнечных нейтрино.

    Обсерватория Садбери


    В шахте Крейгтон канадцы построили огромную «звезду смерти».

    image

    На двухкилометровой глубине разместили акриловую сферу, окруженную ФЭУ и заполненную 1000 тоннами тяжелой воды. Такая вода отличается от обычной тем, что обычный водород с одним протоном заменен на дейтерий — соединение протона и нейтрона. Именно дейтерий и сыграл ключевую роль в решении проблем солнечных нейтрино. Такая установка могла регистрировать, как взаимодействия электронных нейтрино, так и взаимодействия всех остальных типов! Электронные нейтрино будут разрушать дейтерий с рождением электрона, при этом все другие виды электрон родить не могут. Зато они могут слегка «толкнуть» дейтерий так, чтобы он развалился на составные части, а нейтрино полетит себе дальше.

    $\nu_e+d\to p+p+e^- \\ \nu_\alpha+d\to p+n+\nu_\alpha, \space (\alpha=e,\mu,\tau)$


    Быстрый электрон, как мы уже обсуждали, светится при движении в среде, а нейтрон достаточно быстро должен захватываться дейтерием, излучив при этом фотон. Все это можно зарегистрировать с помощью фотоумножителей. Физики наконец получили возможность измерить полный поток частиц от Солнца. Если окажется, что он совпадает с ожиданиями, значит электронные нейтрино переходят в другие, а если он меньше ожидаемого, то виновата неправильная модель Солнца.

    Эксперимент начал работу в 1999 году, и измерения уверенно указали на то, что наблюдается дефицит именно электронной составляющей

    $\frac{N_e}{N_{total}}=0.34$


    Напомню, что в звезде могут рождаться почти исключительно электронные нейтрино. А значит остальные получились в процессе осцилляций! За эти работы Артур Макдональд (SNO) и Кадзита-сан (Камиоканде) получили Нобелевскую премию 2015 года.

    Почти сразу же, в начале нулевых, к исследованиям осцилляций приступили и другие эксперименты. Этот эффект смогли наблюдать и для рукотворных нейтрино. Японский эксперимент KamLAND, расположенный все там же, в Камиоке, уже в 2002 наблюдал осцилляции электронных антинейтрино от реактора. И второй, тоже японский, эксперимент K2K впервые зарегистрировал изменение типа у нейтрино, созданных с помощью ускорителя. В качестве дальнего детектора использовали небезызвестный Супер-Камиоканде.

    Сейчас все больше и больше установок занимаются исследованием этого эффекта. Строятся детекторы на Байкале, в Средиземном море, на Южном Полюсе. Были установки и вблизи Северного полюса. Все они ловят нейтрино космического происхождения. Работают ускорительные и реакторные эксперименты. Уточняются параметры самих осцилляций, делаются попытки узнать что-то о величине масс нейтрино. Есть указания на то, что именно при помощи этого эффекта можно объяснить преобладание вещества над антивеществом в нашей Вселенной!

    Под спойлером небольшая ремарка для самых вдумчивых.
    Премия 2015 года была выдана с формулировкой «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих наличие у них массы». В кругу физиков такое высказывание вызвало некоторое замешательство. При измерении солнечных нейтрино (эксперимент SNO) мы нечувствительны к разнице масс. Вообще говоря, масса может быть нулевая, а осцилляции останутся. Такое поведение объясняется взаимодействием нейтрино с веществом Солнца (эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна). То есть осцилляции солнечных нейтрино есть, их открытие это фундаментальный прорыв, но вот на наличие массы это еще ни разу не указывало. Фактически, нобелевский комитет выдал премию с неправильной формулировкой.
    Осцилляции именно в вакууме проявляют себя для атмосферных, реакторных и ускорительных экспериментов.

    Хочу отметить, что точно так же меняют свои ароматы и кварки, только этот эффект для них намного слабее.

    PS Я продолжаю пробовать перья в популярных статьях, так что буду признателен за отзывы/замечания/запросы. Как найду время, в следующий раз планирую написать, как впервые наблюдали астрофизический объект не через электромагнитное излучение.
    Спойлер — при помощи нейтрино:)

    image
    Метки:
    Поделиться публикацией
    Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

    Подробнее
    Реклама
    Комментарии 8
    • –4
      600 тоннами тетрахлорида — соединения 4 атомов хлора

      Я случайно 600 тонн тетрахлорида
      • 0
        Установка представляла из себя огромную бочку, заполненную чистейшей водой. Стенки были замощены фотоумножителями

        Дочитал статью, вернулся к фото. Вдруг понял что на фото это два японца в лодке.
        • +3
          Супер-Камиоканде 50 килотонн как-никак:)
          Фото с лодочками дико популярны, часто в статьи вставляют.
          image
        • 0

          Про так нейтрино только вскользь один раз упомянули.

          • +2
            Тау?
            Они не сыграли ключевой роли в открытии осцилляций. Для наличия эффекта достаточно двух типов. Его и открыли-то уже практически после решения проблемы солнечных нейтрно.
            Мне кажется, акцентировать внимание на третьем поколении лептонов (кто вообще что-то слышал про тау лептон?!) нет смысла.
          • –4
            Почему вы не упомянули, что однажды в акриловой сфере обсерватории Садбери появился неандерталец из параллельной Вселенной?!
            • –1
              Я правильно понимаю что при осциляциях общался энергий масса + скорость нейтрино не меняется?
              И при осциляциях просто часть скорость переходит в массу?
              По прикидкам электронное нейтрино самое лёгкое а моённое и тау ещё тяжелее?
              И всетаки интересно поймём ли мы что за физический процесс отвечает за осциляциях?
              И можно поподробнее про кварковые осциляциях?
              • +2
                Я правильно понимаю что при осциляциях общался энергий масса + скорость нейтрино не меняется?

                Энергия и масса для системы штука инвариантная, они не меняются. Это один из фундаментальных законов сохранения
                И при осциляциях просто часть скорость переходит в массу?

                нет. у нас изначально рождаются три состояния с различными массами. Скажем так, слегка меняется их процентное соотношение в пучке
                По прикидкам электронное нейтрино самое лёгкое а моённое и тау ещё тяжелее?

                Посмотрите еще раз описание теории. Мы не можем приписать типу нейтрино массу. Массовые состояния и разные сорта нейтрино — это разные базисы. Каждый тип нейтрино содержит все три состояния с разными массами, и точно так же, если мы создадим состояние со строго определенной массой, то у нас будет некая вероятность найти в таком состоянии все виды нейтрино (электронное/мюонное/тау).
                Это не самая очевидная вещь, надо попробовать представить.
                И всетаки интересно поймём ли мы что за физический процесс отвечает за осциляциях?

                Собственно процесс уже понят и описан.
                И можно поподробнее про кварковые осциляциях?

                по хорошему, это тема для отдельной и более сложной статьи:)
                очень коротко есть тут , например.

              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.