Группа NOvA сообщила о надежном доказательстве существования осцилляций антинейтрино: начиная с февраля 2017 года, дальний детектор эксперимента зарегистрировал 18 событий, отвечающих электронным антинейтрино, тогда как при отсутствии осцилляций таких событий было бы всего пять. Об полученных результатах физики рассказали на конференции , кратко об их работе сообщает пресс-релиз организации.
Как правило, когда физики говорят о нейтрино, они разделяют их на три поколения, которым отвечают различные значения флейворного лептонного числа, — на электронное, мюонное и тау-нейтрино. Это так называемые состояния. Именно в таком виде нейтрино участвуют в электрослабых взаимодействиях — например, в бета-распаде ядер радиоактивных элементов или в термоядерном синтезе на Солнце. Тем не менее, такой способ описания нейтрино не совсем корректен, поскольку он неправильно описывает поведение свободных нейтрино и не позволяет приписать им массу. Вместо этого оказывается, что в действительности каждое из флейворных состояний раскладывается в сумму трех состояний, имеющих вполне определенные, но различные массы. Эти состояния называются ; в отличие от флейворных состояний, различные массовые состояния не имеют специальных названий и просто нумеруются цифрами. Именно благодаря такому представлению можно объяснить осцилляции нейтрино, за открытие которых в 2015 году Такааки Кадзите и Артуру МакДональду присудили Нобелевскую премию по физике.
Соотношение между флейворными и массовыми состояниями в физике нейтрино описывается матрицей Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (сокращенно PMNS), аналогичной СКМ-матрице из теории слабых взаимодействий. Просто и наглядно про СКМ-матрицу рассказывается в статье Игоря Иванова, посвященной Нобелевской премии 2008 года. Для удобства физики разделяют вклады в PMNS-матрицу, которые возникают из-за смешивания двух различных массовых состояний, и параметризуют их с помощью углов смешивания, определяющих углы между осями координат в массовой и флейворной «системах отсчета». Кроме того, еще один параметр описывает превращения нейтрино в антинейтрино и равен нулю только в том случае, если нейтрино являются чисто дираковскими частицами. Если же это не так, нейтрино и антинейтрино будут вести себя немного по-разному. Соответственно, чтобы проверить это утверждение, необходимо собрать экспериментальные данные по осцилляциям не только нейтрино, но и антинейтрино.
Именно с целью такой проверки был построен детектор NOvA. Источником нейтрино и антинейтрино в нем служат столкновения протонных пучков с углеродной мишенью в главном инжекторе Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб). Вообще говоря, эксперимент NOvA состоит из двух детекторов, один из которых находится вблизи от главного инжектора, а другой — в 810 километрах от него, в шахте Судан в Национальном парке Минессоты. Каждый из детекторов состоит из пластиковых ячеек размером примерно 4 сантиметра × 6 сантиметров × 16 метров, заполненных жидким сцинтиллятором. Когда нейтрино или антинейтрино сталкивается с молекулами сцинтиллятора, в нем возникает вспышка света, которая регистрируется лавинным фотодиодом. По характерному профилю вспышки, сопровождающей событие, можно восстановить тип и энергию нейтрино, которое ее вызвало. Ближний детектор состоит из 186 ячеек и имеет массу менее 300 тонн, тогда как дальний детектор включает в себя более 344 тысяч ячеек и имеет массу около 14 тысяч тонн.
Новую сессию измерений ученые начали в феврале 2017 года. Если бы осцилляций между мюонными и электронными антинейтрино не было, ученые зарегистрировали бы всего пять событий, отвечающих взаимодействию антинейтрино с веществом ячеек дальнего детектора. В действительности же таких событий оказалось 18. Таким образом, результаты измерений надежно подтвердили существование осцилляций антинейтрино. Стоит отметить, что ранее осцилляции антинейтрино в прямых экспериментах не наблюдались. В дальнейшем ученым предстоит собрать больше статистики и сравнить параметры осцилляций антинейтрино с параметрами осцилляций нейтрино, измеренных ранее.
Эксперимент NOvA — не единственный эксперимент по исследованию нейтрино, рождающихся в главном инжекторе Фермилаба, одновременно с ним работают детекторы MINOS, MINERvA и MiniBooNE. Ранее мы уже писали о результатах работы этих экспериментов — например, о подтверждении нормальной иерархии масс нейтрино (то есть того факта, что электронные нейтрино легче мюонных) или проверке нарушений равенств Леггетта-Гарга, доказывающей нелокальность законов природы. Кроме того, недавно физики из группы MiniBooNE впервые измерили параметры нейтрино с точно известной энергией, которые рождаются в результате распада покоящихся каонов; для этого ученые использовали временну́ю задержку между потоками нейтрино, которые рождаются непосредственно в мишени и в поглотителе.