Электронный журнал
"Русский переплет"
год назад уже сообщал о
сенсационном заявлении
ученых
Нейтринной обсерватории Садбери
(SNO - Sudbury Neutrino
Observatory). Ученые, работающие в коллаборации SNO, утверждали, что им удалось
наблюдать осцилляции солнечных нейтрино. Фактически, подобное открытие означало,
что нейтрино имеют ненулевую массу покоя. Прошел год, страсти поутихли, сошла на
нет шумиха в газетах и Internet-е, Нейтринной обсерваторией была проведена
всесторонняя обработка набранной статистики. Появился ряд статей в научных
журналах. Экспериментальная методика была признана верной и результат принят
научным сообществом. Теперь со всей определенностью можно сказать, что
существование нейтринных осцилляций является установленным
научным фактом. И, следовательно, нейтрино должны иметь массу покоя порядка 1
эВ. Не надо быть пророком, чтобы предсказать присуждение в самое ближайшее время
руководителями эксперимента Нобелевской премии по физике.
Основная изюминка установки SNO заключается в том, что в качестве поглотителя
нейтрино выступает тяжелая вода. Это позволяет на одной установке параллельно
измерять как полный поток всех сортов солнечных нейтрино, так и поток только
электронных нейтрино. Полученные данные можно сравнить с расчетами, выполненными
при помощи стандартной модели Солнца и сделать вывод о том, предсказывает ли
стандартная модель Солнца правильный поток нейтрино всех сортов или занижает
его. А отсюда уже можно заключить, является ли меньший по сравнению с ожидаемым
поток электронных нейтрино у поверхности Земли, измеряемый в других нейтринных
экспериментах, следствием ошибки в предсказаниях стандартной модели Солнца, или
это возможное проявление нейтринных осцилляций.
На русском языке описание установки SNO и физических принципов, лежащих в
основании данного эксперимента, можно найти в следующих публикациях:
[1] Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, А.Штаудт, "Неускорительная физика элементарных
частиц", М. "Наука", 1997, стр.342-344.
[2] Г.В.Клапдор-Клайнгротхаус, К.Цюбер, "Астрофизика элементарных частиц", М.
"Редакция журнала УФН", 2000, стр.385-386.
[3] Первые результаты работы
Нейтринной обсерватории Садбери.
Предлагаем вниманию читателей перевод редакционной статьи "Direct evidence seen
for oscillations", напечатанной в международном журнале по физике высоких
энергий
"CERN Courier"
Vol.42, N5, p.5 June 2002, в которой дается краткий обзор
результатов работы SNO.
Н.Никитин
Излучение, идущее от Солнца, правильно описывается при помощи теории
термоядерных реакций, которые происходят в солнечном котле. Существуют
осцилляции нейтрино, по крайней мере, связанные с переходами электронных
нейтрино в нейтрино другого сорта. Это основные выводы, которые были получены
при изучении реакций с нейтральными токами на Нейтринной обсерватории Садбери
(шахта Крейтон, провинция Онтарио, Канада).
В 1985 году Хеб Чен (Herb Chen) из Калифорнийского университета (г.Ирвайн)
первым обратил внимание на то, что использование тяжелой воды открывает прямой
путь для того, чтобы решить так называемую "загадку солнечных нейтрино" -
дефицит потока электронных солнечных нейтрино, регистрируемых на Земле, по
сравнению с потоком, предсказываемым стандартной моделью Солнца. Разница между
теоретическим и экспериментальным потоками позволила предположить, что
излучаемые Солнцем электронные нейтрино в процессе полета от Солнца к Земле
переходят в мюонное или тау-лептонное нейтрино. Чен понял, какой эксперимент
необходимо поставить, чтобы зарегистрировать суммарный поток всех сортов
нейтрино. Для этого нужно зарегистрировать взаимодействие нейтрино с ядром,
обусловленное нейтральным током. Заметим, что упругое рассеяние нейтрино на
электроне также может проходить за счет нейтрального тока, однако в этом случае
для электронного нейтрино помимо нейтрального тока вклад в амплитуду рассеяния
вносит заряженный ток, что делает анализ более сложным. В качестве идеальной
детектирующей среды Чен предложил использовать тяжелую воду. В реакции с
нейтральным током, в которой участвуют нейтрино всех сортов, ядро дейтерия
просто расщепляется на протон и нейтрон. В то время, как в реакции с заряженным
током, в которой участвуют только электронные нейтрино, происходит превращение
нейтрона в протон с образованием электрона (Н.Н. то есть, в реакции с заряженным
током в конечном состоянии присутствуют два протона и один электрон). В обоих
случаях тяжелая вода выступает и как мишень, и как детектор. Нейтрон,
образовавшийся в реакции с нейтральным током, может быть зарегистрирован по
излучению гамма-кванта с энергией 6,25 МэВ. Такой гамма-квант образуется в
процессе захвата нейтрона ядром дейтерия. Гамма-кванты и электроны,
образовавшиеся в реакции с заряженными токами, наблюдаются при помощи
черенковского излучения в воде.
Предложение Чена заключалось в том, чтобы построить SNO, содержащую 1000 тон
тяжелой воды. Однако Чен не дожил до того момента, когда он смог бы увидеть свою
мечту реализованной. В прошлом год коллаборация SNO опубликовала первые
результаты по изучению реакций упругого рассеяния и реакций с заряженными
токами. Если эти данные сопоставить с данными, полученными на других установках,
то становится ясно, что результаты SNO являются весомым доказательством в пользу
того, что электронные нейтрино изменяют свой тип, т.е. в пользу нейтринных
осцилляций. Команда Чена сделала это и анонсировала предварительные результаты
по изучению реакций взаимодействия солнечных нейтрино с ядрами дейтерия по
средствам нейтральных токов. SNO представила недвусмысленные доказательства
реальности нейтринных осцилляций, полученные с помощью одного детектора.
Для того, чтобы зафиксировать реакции с нейтральными токами экспериментаторы SNO
должны наблюдать черенковский свет от гамма-квантов, рождающихся в результате
захвате нейтронов ядрами. Основной фон возникает от вторичных частиц, которые
появляются при распаде естественного урана и тория. Эти частицы создают
свободные нейтроны в реакции фоторасщепления дейтерия. Как и предполагал Чен,
толща породы, внутри которой построен детектор, действительно является причиной
огромных проблем с фоном. Поэтому резервуар, содержащий тяжелую воду, окружен
7000 тонн обычной воды, которая поглощает гамма-кванты и нейтроны, возникшие от
радиоактивных распадов в горной породе, окружающей детектор. Кроме того,
коллаборацией разработана система очистки воды, которая уменьшает концентрацию
продуктов распада урана и тория в миллион раз по сравнению с неочищенной водой.
В среднем количество примесей составляет величину меньшую, чем 10-14
гр/галлон для тяжелой воды и 10-13 гр/галлон для обычной воды.
Пока что коллаборация провела детальный анализ данных, полученных в период между
ноябрем 1999 года и маем 2001 года. Реакция с нейтральными токами использовалась
для измерения потока солнечных нейтрино от распадов бора-8 (к которым SNO
наиболее чувствительна). Было найдено, что поток равен (5,09+0,44
-0,43 (статистическая ошибка)
+0,46-0,43 (систематическая ошибка)) * 106
см-2 сек-1.
Это полностью соответствует предсказаниям стандартной модели Солнца,
то есть недостаток нейтрино в суммарном потоке солнечных нейтрино отсутствует.
Обработка реакций, обусловленных упругими рассеяниями и заряженными токами,
ведет к измерению потока электронных нейтрино от распадов бора-8 на Солнце и
суммарного потока нейтрино других типов. Для потока электронных солнечных
нейтрино было экспериментально найдено следующее значение
(1,76+0,05-0,05+0,09-0,09) * 106
см-2 сек-1, а для потока нейтрино остальных типов значение
почти в два раза большее
(3,41+0,45-0,45+0,48-0,45) * 106
см-2 сек-1, что
составляет 5,3 стандартных отклонения от нуля. Этот результат ясно указывает на
то, что 2/3 электронных нейтрино, излучаемых Солнцем, изменили свой тип или
"аромат" на другой перед тем, как они были зарегистрированы.
Абсолютно необходимо более тщательно исследовать механизм, который приводит к
смешиванию нейтрино. Коллаборация SNO провела измерения энергетического спектра
солнечных нейтрино в зависимости от времени суток. Согласно теории нейтринных
осцилляций, смешивание должно возрастать, если нейтрино проходят сквозь
вещество, т.е. сквозь Землю. Коллаборацией SNO была найдена следующая "ночная-
дневная" асимметрия для потока электронных нейтрино
(7,0+4,9-4,9+1,3-1,2)%.
Совместный анализ данных эксперимента SNO и данных других экспериментов в
предположении осцилляций двух типов нейтрино показывает, что предпочтительны
теории, в которых имеется большой угол смешивания. "Потерянные" солнечные
нейтрино больше не потеряны. Более того, они позволили больше узнать о свойствах
элементарных частиц.
Литература
[1] Q.R.Ahmad et al., Phys.Rev.Lett. 89, 011301 (2002) or
nucl-ex/0204008
[2] Q.R.Ahmad et al., Phys.Rev.Lett. 89, 011302 (2002) or
nucl-ex/0204009
На фотографии в заголовке статьи помещено изображение установки SNO изнутри.
