«Частицы-призраки»: российский физик — об изучении нейтрино

Нейтрино на протяжении долгого времени считалось гипотетической частицей — физики так объясняли загадочную пропажу энергии при ядерном распаде. С развитием технических средств нейтрино удалось зарегистрировать, однако до сих пор это одна из самых загадочных частиц Вселенной. Так, есть гипотеза, согласно которой нейтрино способно принимать одновременно форму материи и антиматерии. Об этом в интервью RT рассказал ведущий научный сотрудник отдела лептонов высоких энергий и нейтринной астрофизики ИЯИ РАН, доктор физико-математических наук Анатолий Буткевич. Он рассказал, как международный коллектив учёных, включая российских, изучает иерархию масс нейтрино и их способность менять формы со временем. А также пояснил, какое прикладное значение имеют эти исследования.

— Недавно международная коллаборация NOvA представила свою работу на Международной конференции по нейтринной физике и астрофизике Neutrino 2024. В коллаборацию входят более 200 учёных из разных стран, включая физиков из ИЯИ РАН. Как мы понимаем, цель вашей работы — исследовать нейтрино, фундаментальные частицы, которые почти не взаимодействуют с материей. Расскажите, пожалуйста, о них подробнее. Что такое нейтрино и почему их также называют неуловимыми частицами-призраками?

— Всё началось в 1930-х годах, когда физики ломали голову над проблемой несохранения энергии при радиоактивном распаде ядра — часть энергии куда-то исчезала. Это противоречило фундаментальным физическим законам о сохранении массы и энергии. В конце концов немецкий физик-теоретик Вольфганг Паули выдвинул гипотезу о существовании очень слабо взаимодействующей с веществом частицы-призрака, которая рождается при радиоактивном распаде ядер атомов. По мысли Паули, такие частицы не регистрируются детекторами, но при этом уносят с собой часть энергии. А термин «нейтрино» предложил уже в 1934 году другой учёный, Энрико Ферми.

Они оказались правы: в 1956 году нейтрино действительно удалось зарегистрировать физикам Фредерику Райнесу и Клайду Коуэну. В 1995 году за это открытие Райнесу была присуждена Нобелевская премия.

— Как учёным удалось зарегистрировать «невидимую» частицу?

— Во время бета-распада нейтрон распадается на протон, электрон и нейтрино. А также есть обратный процесс, когда частица-антинейтрино взаимодействует с протоном, который находится в детекторе. В результате рождаются позитрон — положительно заряженный электрон — и нейтрон. В природе есть всего четыре вида взаимодействия: сильное, электромагнитное, слабое взаимодействие и гравитационное. Нейтрино участвует только в слабом взаимодействии. Частица проникает в глубь детектора незамеченной и там взаимодействует с веществом (сцинтиллятор, вода) детектора, что приводит к рождению заряженных частиц. Заряженные частицы при прохождении в детекторе излучают свет, который регистрируется фотоприёмниками. Это позволяет нам зафиксировать взаимодействие нейтрино в детекторе.

— С какими сложностями учёные сталкиваются при изучении нейтрино? Почему нейтринные телескопы располагают глубоко под землёй или водой, как Байкальский подводный нейтринный телескоп?

— Кроме высокого риска статистических ошибок, работу сильно осложняет тот факт, что в земной атмосфере постоянно рождаются электроны, гамма-кванты, мюоны и нейтрино. Поэтому, если мы хотим регистрировать поток нейтрино, идущий из атмосферы и космоса, нам нужно как-то отсечь этот фон. Если мы установим такой телескоп просто на поверхности Земли, то мы будем регистрировать в основном фон и очень редко нейтрино. Поэтому выход один — размещать детекторы там, где этот шум практически отсутствует, — под землёй или под водой. Однако проблема всё равно до конца не решается таким образом, потому что вода и грунт тоже являются источниками продуктов радиоактивного распада ядер. Поэтому нейтринные исследования — сложная, но интересная область физики.

— Исследование, проделанное NOvA, во многом посвящено осцилляции нейтрино. Расскажите, пожалуйста, что это.

— Осцилляции элементарных частиц — это их способность менять свой тип со временем. Нейтрино делятся на три типа: электронные, мюонные и тау-нейтрино, эти формы могут переходить друг в друга. Раньше считалось, что у нейтрино нет массы, однако, когда были открыты осцилляции этих частиц, это представление было опровергнуто. Именно наблюдения за процессом осцилляции способны дать ответ на вопрос о физике нейтрино.

Огромный вклад в теорию осцилляции нейтрино внёс советско-итальянский физик Бруно Максимович Понтекорво, который с 1950 года работал в Дубне. В 1957-м он впервые предсказал существование нейтринных осцилляций. Указания на существование нейтринных осцилляций были получены в эксперименте с солнечными нейтрино. Правда, Понтекорво считал, что нейтрино превращаются в антинейтрино. В 1962 году было открыто мюонное нейтрино и группа японских учёных выдвинула гипотезу осцилляций мюонных и электронных нейтрино. Цель любого осцилляционного эксперимента — выяснить, с какой вероятностью нейтрино меняет свой тип.

— В вашей работе внимание уделено выявлению иерархии масс нейтрино. О чём в данном случае идёт речь?

— Как я говорил, нам известно, что у разных типов нейтрино разная масса. Но при этом мы даже не знаем пока, как эти массы упорядочены. Есть две гипотезы: согласно первой, есть два лёгких нейтрино — электронное и мюонное — и одно тяжёлое — тау-нейтрино. Согласно второй теории, всё наоборот: электронное и мюонное нейтрино тяжёлые, а тау-нейтрино — лёгкое. В случае когда нейтрино движется в веществе, вероятность осцилляций мюонных нейтрино в электронные будет зависеть и от иерархии масс нейтрино. Если она нормальная, то осцилляции будут усиливаться для нейтрино и ослабляться для антинейтрино, а если она обратная, то наоборот (эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна).

А ещё есть такое явление, как нарушение СР-вариантности, то есть нарушение зеркальной симметрии между частицами и античастицами. Это явление повинно в том, что во Вселенной доминирует материя, а не антиматерия. В теории физические законы не должны меняться при зеркальном отражении в пространстве и замене частицы на античастицу. Однако оказалось, что это не так, а осцилляции очень чувствительны к таким нарушениям. Поэтому при осцилляции мюонных нейтрино в электронные можно проследить иерархию их масс, а также значения фазы нарушения СР-вариантности.

— Какую роль эти исследования играют для науки, наших знаний об устройстве Вселенной?

— Дело в том, что, согласно научной гипотезе, нейтрино может быть одновременно и собственной античастицей. Существование таких амбивалентных частиц в природе предсказано, они называются майорановскими фермионами. Но они пока не открыты. Их экспериментальное обнаружение сыграет очень важную роль для науки, в частности для физики высоких энергий. Пока что неясно, нейтрино всё же майорановская или обычная, дираковская частица, которая имеет отдельную античастицу. Это вопрос номер один для физики.

Знание природы нейтрино позволит нам ограничить набор моделей, выходящих за пределы Стандартной модели, определить, какие из гипотез верны. Отмечу, что никто не опровергает Стандартную модель, но есть множество предположений, как именно она должна быть расширена. А какие версии верные — ключ к этому лежит в области исследований нейтрино.

— Какими методами нейтрино исследуются в рамках эксперимента NOvA?

— В эксперименте мы создаём при помощи ускорителя мощный пучок нейтрино, его мощность достигает 1 МВт. Ускоритель находится в 60 км от Чикаго, в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, сокращённо Fermilab.

Для регистрации нейтрино используется два подобных детектора. Один находится на расстоянии 810 км от Fermilab и заполнен 14 кт минерального масла, второй расположен рядом с лабораторией и меньше по размерам, его масса 300 т. Чтобы уменьшить систематические ошибки, на этом детекторе измеряют спектр нейтринных событий без осцилляций по энергии нейтрино и сравнивают с расчётным спектром. Определяют поправки к расчёту, а затем вычисляют спектр событий без осцилляций на дальнем детекторе. Из сравнений измеренного и вычисленного без осцилляций спектров событий вычисляют вероятность осцилляций нейтрино.

— Есть ли какое-то прикладное значение у этих исследований или речь исключительно о фундаментальной науке?

— Во-первых, фиксируя и анализируя потоки нейтрино, исходящие от атомных реакторов, мы можем отслеживать в режиме реального времени работу атомных энергоблоков.

Также нейтрино могут помочь в исследовании земных недр, поскольку эти частицы проходят Землю насквозь. Для этого будут нужны очень большие детекторы, но это уже технические возможности. Но самое главное, что нейтрино — очень полезный инструмент для исследования космоса. Сейчас даже возникло новое направление — нейтринная астрономия. Нейтрино позволяют нам регистрировать вспышки сверхновых, поскольку при этом рождается огромный поток таких частиц.

Материал подготовлен при поддержке пресс-службы Минобрнауки.