№10, 2002 г.

---

 
На протяжении многих лет физикам не давало покоя расхождение между расчетной и измеренной величинами потока нейтрино от Солнца — так называемый дефицит солнечных нейтрино. Наш журнал старался держать читателя в курсе событий в этой области науки: мы не раз публиковали и большие статьи, и краткие сообщения на данную тему (См., например, подробный обзор: Копылов А.В. Проблема солнечных нейтрино: от прошлого к будущему // Природа. 1998. № 5. С.31—40. № 6. С.27—36). И вот, наконец, эксперимент ставит точку в тридцатилетней дискуссии.

 

© А.В. Копылов

 СОЛНЕЧНЫЕ НЕЙТРИНО
ПРОДОЛЖАЮТ УДИВЛЯТЬ

А.В. Копылов,
кандидат физико-математических наук
Институт ядерных исследований РАН
Москва

 

Нейтрино — наиболее таинственная частица в мире элементарных частиц. Для его характеристики вполне уместно использовать такие термины, как “исчезающее”, “неуловимое”. Уловить отдельно взятое нейтрино — дело совершенно безнадежное, для него почти любая материя прозрачна. Когда говорят о его регистрации, имеют в виду, что из многих миллионов некоторые способны оставить след в детекторе, не более. А что касается термина “исчезающее”, то не только нейтрино исчезает, но вместе с ним и энергия, вырабатываемая в реакторе (для реактора мощностью порядка 1 ГВт потери за счет нейтрино составляют миллионы Ватт!).

Один раз в два года проводятся международные конференции “Нейтрино”, на которых представляют результаты, полученные за истекшее время. По сути устраивается своеобразный смотр в мире нейтринной физики. В этом году очередной смотр, двадцатый по счету, проводили в Германии 25—30 мая, в столице Баварии — Мюнхене, под патронажем Общества Макса Планка. Организатором конференции был также Технический университет Мюнхена. Участие в ней приняли более 400 человек.

Главная новость, прозвучавшая на конференции: на установке SNO (Нейтринная обсерватория в Садбери) в Канаде измерена интенсивность расщепления дейтона под действием нейтрино от Солнца по так называемому каналу нейтральных токов, т.е. без рождения соответствующего лептона. Эта реакция

d + n ® p + n+ n

идет с одинаковой скоростью для любого типа нейтрино. Сопоставление измеренного темпа счета данной реакции со счетом реакции по каналу заряженного тока

d + n ® p + p + e^–,

которая вызывается только электронными нейтрино, обнаружило, что поток электронных нейтрино от Солнца, достигающий Земли, составляет лишь треть, остальные две трети — нейтрино неэлектронные (мюонные и/или тау-нейтрино). В них нейтрино электронное превратилось, по-видимому, за счет осцилляций **.

** Более подробно об этом эксперименте см. в этом же номере журнала: Комар А.А. Проблема дефицита солнечных нейтрино решена. С. 5—7.

Физически эффект осцилляций связан с тем, что разные типы нейтрино могут переходить друг в друга (смешиваться). В результате возникают новые нейтринные состояния с заданными массами, которые линейным образом выражаются через исходные состояния нейтрино. Коэффициентами линейного преобразования являются синусы и косинусы углов смешивания, определяющие вероятности перехода одного нейтрино в другое (большие углы означают сильное смешивание). В процессе распространения нейтрино от точки образования возникают пространственные осцилляции, частота которых среди прочего зависит от разности квадратов масс новых нейтринных состояний Dm² = m₂² – m₁².

Данный результат получен с очень высокой достоверностью — вероятность ошибки здесь меньше 0.1%. Год назад сходный вывод был сделан после сравнения темпов счета по каналу заряженного тока на установке SNO и по каналу упругого рассеяния нейтрино на электронах на установке SuperKamiokande в Японии *, однако тогда достоверность была еще недостаточной для результата, претендующего на фундаментальную важность.

* Сообщение об этом см.: Бялко А.В. Парадокс солнечных нейтрино разрешен // Природа. 2001. №9. С.79.

Новые данные уже вполне убедительны и, кроме того, самодостаточны, т.е. получены на одной установке, что снимает вопросы о возможности неучтенной методической ошибки в силу использования разных методик. Сопоставление результата SNO с результатами других нейтринных экспериментов — хлорного в Хоумстейке (США); галлиевых, советско-американского содружества SAGE и европейского содружества GALLEX (на начальной фазе) и GNO (в настоящее время); Kamiokande и SuperKamiokande в Японии — показывает, что наиболее вероятная область допустимых параметров нейтринных осцилляций — область больших углов смешивания с разностью квадратов масс Dm² порядка 10–5 эВ². Этот количественный результат еще подлежит проверке — нужны новые данные, предпочтительно с использованием независимых методов.

Один из них уже практически реализуется: на установке KamLAND в Японии приступили к измерению потоков антинейтрино от десяти реакторов (Kashiwazaki, Ohi, Takahama, Shiga, Tsuruga, Mihama, Hamaoka, Fukushima-I, Fukushima-II, Tokai-II), расположенных на расстоянии от 150 до 200 км от детектора SuperKamiokande. По замыслу, намечается блестящий эксперимент, результат которого будет представлять огромную важность для дальнейшего развития нейтринной физики. Если осцилляции действительно происходят в области больших углов смешивания, откроется дорога широкому спектру нейтринных исследований с применением суперускорителей и детекторов нового поколения. Основная задача: определить массовый состав нейтринного сектора, элементы матрицы смешивания, выявить возможное нарушение CP- и CPT-четностей. CP-четность может нарушаться, поскольку матрица смешивания размерности 3ґ3, которая описывает переход от базиса трех масс к базису трех ароматов (типов) нейтрино, в общем виде содержит комплексную фазу d, ответственную за такое нарушение. Здесь просматривается почти полная аналогия с тем, что мы наблюдаем в кварковом секторе. Исследовать гипотетическое нарушение CP-четности у нейтрино можно, сравнивая осцилляции для нейтрино и антинейтрино: если они различаются — налицо искомое нарушение. CPT-четность — более фундаментальная характеристика. Если теория локальна и если выполняется Лоренц-инвариантность, то CPT-четность должна автоматически сохраняться. Пока примеров, опровергающих эту теорему, не найдено, и у нас нет никаких сколько-нибудь серьезных аргументов, почему CPT-четность должна нарушаться для нейтрино. В эксперименте это бы приводило к различию масс нейтрино и антинейтрино. Но нейтрино настолько необычная частица, постоянно преподносящая сюрпризы (взять хотя бы наблюдаемые в настоящее время большие углы смешивания, что кардинально отличается от происходящего в случае кварков) — нельзя исключать и других неожиданностей.

Если эффект осцилляций солнечных нейтрино окажется связанным с меньшими углами смешивания и уйдет в область более низких Dm², то ускорительные эксперименты сосредоточатся главным образом на области параметров нейтринных осцилляций, обнаруженных с атмосферными нейтрино (Dm² = 2-3·10^–3 эВ²), а область с более низкими Dm² будет исследоваться в экспериментах с солнечными нейтрино. Солнце — бесценный источник электронных нейтрино, генерирующихся в ядерных реакциях, а огромное расстояние между Солнцем и Землей предоставляет уникальную возможность для изучения осцилляций нейтрино. В любом случае область с Dm² ниже 10^–4 эВ² останется за экспериментами с солнечными нейтрино, поскольку для ускорительной техники — это предел возможного. Зато об осцилляциях типа nm®nt ускорительные эксперименты могут дать богатейшую информацию. Для получения полноценного экспериментального материала установке KamLAND нужно набирать статистику примерно три-четыре года, но очень скоро мы будем располагать предварительными данными, весьма существенными для решения вопроса о параметрах нейтринных осцилляций типа n_e®n_m.

Уже несколько лет вызывает дискуссии результат, полученный в эксперименте LSND (США), где наблюдаются осцилляции антинейтрино мюонных в антинейтрино электронные, при этом разность квадратов масс составляет величину порядка эВ². Если результат эксперимента LSND принимать всерьез, мы имеем три разных масштаба разности квадратов масс, а это в свою очередь означает, что должны существовать, как минимум, четыре разных типа нейтрино. Но такое предположение противоречит данным, полученным при исследовании Z-бозона (при измерении его распадной ширины), согласно которым должно быть не более трех типов активных нейтрино. Таким образом, данные LSND вносят существенную путаницу в наши современные представления, что есть что. Чтобы совместить четыре нейтрино с тремя активными, надо либо вводить неактивное, так называемое стерильное нейтрино, либо допустить несохранение CPT-четности. В первом случае нейтрино электронное может превратиться в нейтрино стерильное и исчезнуть для эксперимента, так как стерильное нейтрино в ядерные реакции не вступает. По современным данным, такой вариант почти исключается, так что в экспериментах с атмосферными нейтрино мы наблюдаем превращение нейтрино мюонного в нейтрино тау, а в экспериментах с солнечными — нейтрино электронного в нейтрино мюонное (или тау). Во втором случае массы нейтрино и антинейтрино должны отличаться, и эта возможность будет исследована в эксперименте KamLAND. В общем результат LSND не очень вписывается в картину. На конференции было заявлено, что эксперимент MiniBOONE в США, который как раз ставит задачу его прояснить, уже на ходу, так что примерно через год мы будем располагать важной информацией, которая сможет серьезно продвинуть нас в исследовании нейтринных осцилляций.

Хотелось бы еще отметить следующее. Эксперименты с солнечными нейтрино, конечно, очень перспективны, однако в будущем, учитывая экспериментальный материал, который предстоит получить в ближайшие пять лет, выживут только те проекты, которые способны обеспечить прецизионность измерений. Точности в 10 и даже 5% уже недостаточно, нужен уровень 1—2%, не более! А это означает, что сечение взаимодействия нейтрино с мишенью должно быть рассчитано с точностью порядка 1%. Если же речь идет о калибровке сечения искусственным источником нейтрино, она тоже должна обеспечивать точность такого же порядка, что требует очень высокой активности источника нейтрино. Среди ядерных мишеней лишь для немногих сечение взаимодействия нейтрино может быть вычислено с такой высокой точностью, в качестве примера можно привести ⁷Li, ¹⁰⁰Mo. Перспективным представляется разработка новых детекторов типа BOREXINO, использующих реакцию упругого рассеяния нейтрино, которое поддается высокоточному расчету. Здесь особенно стоит отметить проекты с использованием жидких инертных газов, таких как гелий, неон, ксенон. Прорабатываются также детекторы с использованием новых сцинтилляторов. Пока сложно делать какие-либо прогнозы на будущее, однако несомненно одно: впечатляющий успех, продемонстрированный в исследовании солнечных нейтрино, показывает, что инвестиции в эту область науки целиком себя оправдали, так как на выходе мы имеем результат фундаментальной важности. На конференции звучали победные нотки, в хорошем смысле эту конференцию можно было бы назвать конгрессом победителей.

© А.А. Комар

Проблема дефицита солнечных нейтрино
экспериментально решена

А.А. Комар,
доктор физико-математических наук
Физический институт им.П.Н. Лебедева РАН, Москва

Термином “дефицит солнечных нейтрино” характеризуют ситуацию с отклонением теоретически рассчитанной величины потока солнечных нейтрино, достигающего нашей планеты, от его величины, реально измеренной на Земле (точнее под Землей) с помощью специально разработанных для этой цели детекторов. В зависимости от типа детекторов экспериментальное значение оказывалось в диапазоне 1/3—1/2 от предсказанного. Для теоретической оценки потока этих нейтрино принято использовать так называемую Стандартную модель Солнца (СМС), которая достаточно полно учитывает все основные параметры процессов, происходящих в недрах светила, в первую очередь тех, что связаны с реакциями термоядерного синтеза легких ядер. Имеется в виду знание типов соответствующих реакций, их сечений, плотности вещества и температуры в центральной области Солнца и т.д. Расхождение между оцененной величиной потока нейтрино и экспериментом, иными словами, дефицит солнечных нейтрино, не мог не обеспокоить физиков. Он как бы ставил под сомнение правильность представлений о механизмах энерговыделения на Солнце. Эта озабоченность возникла достаточно давно, вскоре после получения первых результатов измерений потоков нейтрино радиохимическим (хлорным) детектором в США, более 30 лет тому назад, хотя данные упомянутого эксперимента были тогда еще не очень надежны. Однако со временем проблема дефицита солнечных нейтрино лишь обострилась. Все более поздние измерения их потока на Земле (водный детектор SyperKamiokande в Японии, радиохимические детекторы на основе галлия SAGE в России и GALLEX в Италии) с возрастающей надежностью указывали на уменьшенную (по сравнению с расчетной) величину.

В качестве возможного, наиболее естественного пути разрешения возникшей проблемы широко обсуждались различные модификации модели Солнца, более или менее отличающиеся от СМС. Но не очень значительные поправки к модели не меняли существенно величину потока нейтрино, а более радикальные варианты модификации не выдержали проверки временем.

Нестандартной альтернативой для объяснения дефицита солнечных нейтрино, которая постепенно все больше набирала популярность в литературе, стала гипотеза об осцилляциях нейтрино. Центр тяжести обсуждения в этом случае переносился с модели Солнца на свойства частиц. Возникновение подобной идеи оказалось возможным вскоре после обнаружения двух разных типов нейтрино в 1962 г. — электронного и мюонного. Наличие двух типов нейтрино в принципе не исключало их взаимодействия и, как следствие, появления взаимных переходов (осцилляций). И в 1968 г. Б.М.Понтекорво первым обратил внимание на то,что процесс осцилляций мог бы объяснить уменьшение потока солнечных нейтрино на Земле.

Нетривиальность идеи осцилляции — в отказе от постулата о сохранении заданных лептонных чисел для нейтрино. Иными словами, предполагается, что электронное нейтрино может с определенной вероятностью перейти в мюонное, а затем обратно — в электронное. В этот процесс может вовлекаться и другое нейтрино — тау. Исходящие из глубин Солнца нейтрино определенного типа по мере их движения к Земле превращаются в другой тип, затем снова в исходный и т.д. — они реально осциллируют в пространстве. В каком виде частицы обнаружатся в конце пути, зависит, конечно, от длины осцилляций (расстояния, которое нейтрино необходимо пройти для соответствующего превращения). Если она заметно меньше астрономической единицы, можно допустить, что на базе Солнце—Земля происходит усреднение осцилляций. В этом случае на Земле интенсивность нейтрино исходного типа может упасть примерно вдвое (если учитывать только два типа нейтрино) или даже заметнее (если в процесс осцилляций включаются все три).

Уменьшение интенсивности исходного типа нейтрино при наличии осцилляций и есть возможный ключ к объяснению их дефицита. Дело в том, что в недрах Солнца рождаются электронные нейтрино. Все упомянутые выше детекторы были специально приспособлены для регистрации частиц данного типа. И если интенсивность электронных нейтрино, доходящих до Земли, уменьшается, детекторы автоматически зафиксируют это, а других нейтрино, появившихся у поверхности Земли, просто “не заметят”.

Для решающей проверки гипотезы было небходимо построить детектор, который в равной степени был бы чувствителен к нейтрино всех типов. Простая и остроумная идея такого детектора была предложена в 1985 г. американским физиком Х.Ченом на основе использования тяжелой воды D₂O. Дейтерий, входящий в состав тяжелой воды, при рассеянии на нем любых типов нейтрино, легко расщепляется (порог расщепления всего 2.2 МэВ) на протон и нейтрон:

n_x + d ® p + n + n_x.  (I)

Образовавшийся нейтрон после замедления поглощается другими ядрами дейтерия, в изобилии присутствующими в тяжелой воде:

n + d ® t + g. (II)

При этом рождается g-квант с характерной энергией E = 6.25 МэВ, что и служит сигналом регистрации пришедшего извне нейтрино любого типа (если отвлечься от фоновых нейтронов).

Кроме того, в мишени из тяжелой воды осуществляются две другие, более привычные реакции:

d + n_e ® p + p + e^–, (III)

(данный процесс близок к аналогичным процессам, протекающим на ядрах радиохимических детекторов; он характерен только для ne) и рассеяние

n_x + e ® n_xў + eў.

Последнее — точный аналог реакции, которая регистрируется детектором SuperKamiokande, созданным на базе 50 000 т обычной воды H₂O. В основном она чувствительна к ne и в слабой степени к другим нейтрино.

Хотя в принципе идея создания мишени на основе тяжелой воды выглядит простой, ее техническое воплощение заняло много времени. Эксперимент начался только в 1999 г. Прежде всего для его реализации потребовалась 1000 тонн тяжелой воды, что было довольно сложной задачей. Далее надо было защитить объем мишени от попадания других частиц, которые могли бы порождать паразитные (фоновые) сигналы. Решение было найдено своеобразное. Тяжелую воду заключили в сферу диаметром 12 м из прозрачного пластического материала (акрила), которую в свою очередь разместили внутри бочкоообразного сосуда с максимальным размером 22 м. Этот внешний сосуд был также заполнен водой, на сей раз обычной. Внутри водной среды “бочки” на специальной поддерживающей конструкции были размещены 9456 фотоэлектронных умножителей, которые через прозрачную оболочку внутренней сферы и просматривали объем с тяжелой водой. Обычная вода во внешней оболочке служила активной защитой, в первую очередь от фоновых нейтронов. Кроме того, тяжелая вода и обычная вода были максимально очищены от радиоактивных примесей, которые также могли являться источником фоновых нейтронов и давать вклад в фон. Наконец, как это делается со всеми нейтринными детекторами, вся установка была размещена в подземной шахте, в данном случае вблизи местечка Садбери (Канада, Онтарио) на глубине 2 км для максимальной изоляции от внешних воздействий. Там и была создана Нейтринная обсерватория — SNO (Sudbury Neutrino Observatory). Отметим, кстати, что и выбор места, и большие усилия по минимизации фона дали отличный результат: фоновые отсчеты в установке составили ~3% от общего числа зарегистрированных событий.

В результате измерений, которые велись в течение примерно полутора лет (1999—2001), оказалось возможным выделить события, относящиеся ко всем трем реакциям: I, II и III. Во всех случаях, ввиду аппаратурных пороговых ограничений, измерения имели отношение к части спектра солнечных нейтрино с высокими энергиями (это так называемые борные нейтрино — нейтрино от распада ⁸B). Реакция II дала возможность оценить поток электронных нейтрино для этой области спектра. Для реакции III в той же области спектра был получен результат, очень хорошо согласующийся с данными SuperKamiokande. Этого можно было ожидать, поскольку обе установки проводили измерения при сходных пороговых ограничениях. Поток, определенный по реакции III в SNO, оказался чуть больше, чем для чисто электронных нейтрино в реакции II на той же установке. И наконец, реакция I дала выход, заметно (почти в три раза) превышающий выход событий от реакции II для SNO.

Это и есть самый главный результат эксперимента. Электронные нейтрино в результате осцилляций перешли в другие виды нейтрино (какие конкретно, говорить пока преждевременно), которые и вызвали дополнительные отсчеты в мишени из тяжелой воды.

Цифры для значений потоков, определенных по данным детектора, выглядят настолько впечатляюще, что их невозможно не привести (все в единицах 10⁶ см^–2·с^–1).

Поток, оцененный по вкладам всех рассеянных на дейтерии нейтрино, находится в хорошем согласии с теоретическим предсказанием для борных нейтрино (строка 3).
 

Реакция I Реакция II  Теория (B)

5.09±0.44st±0.46syst 1.76±0.06st±0.09syst 5±1syst

Разница потоков по реакциям I и II: (3.41 ± 0.45_st± 0.48_syst)·10⁶ см^–2·с^–1 недвусмысленно свидетельствует о возникновении потока других нейтрино, избыточного по отношению электронному, которое есть прямое следствие осцилляций.

Из проведенного эксперимента можно сделать ряд выводов:

—  проблема дефицита солнечных нейтрино снимается;

—  существование осцилляций для электронных нейтрино доказано (с 1998 г. имелись достаточно серьезные указания, что мюонные нейтрино осциллируют при прохождении сквозь Землю);

—  наличие осцилляций определенно указывает на то, что у нейтрино есть масса.

 

---

---

Октябрь 2002