Комментарий к событию

Престижная премия за исследование нейтринных осцилляций

8 ноября на торжественной церемонии в Силиконовой долине США были объявлены лауреаты престижной научной премии - Breakthrough Prize 2016 в фундаментальной физике. Ими стали все участники пяти экспериментов Daya Bay, KamLAND, Super-Kamiokande, SNO и T2K/K2K - за исследования нейтринных осцилляций. Объединенный институт ядерных исследований принимает активное участие в эксперименте Daya Bay, открывшем в 2012 году ненулевое значение угла смешивания нейтрино 13. Лауреатами премии со стороны ОИЯИ стали участники эксперимента Daya Bay: М.О.Гончар, Ю.А.Горнушкин, Д.В.Наумов, И.Б.Немченок, А.Г.Ольшевский, а также Е.А.Якушев (KamLAND), В.А.Матвеев и Б.А.Попов (T2K). Комментирует заместитель директора Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Дмитрий НАУМОВ.

Премия Breakthrough Prize, присуждаемая за достижения в фундаментальной физике, науках о жизни и математике, была учреждена в 2012 году Сергеем Брином и Анной Войчицки, Джеком Ма и Кэти Чжан, Юрием и Юлией Мильнер, Марком Цукербергом и Присциллой Чан и является самой большой премией, присуждаемой за исследования в этих областях науки. Дополнительная информации о Breakthrough Prizes доступна по адресу breakthroughprize.org/.

Как известно, существование нейтрино было предложено в 1930 году для объяснения непрерывного спектра энергии электронов в радиоактивных распадах ядер. Впервые электронное антинейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году в эксперименте Ф.Райнеса и К.Коуэна с реакторными антинейтрино. В 1962 году Л.Ледерман, М.Шварц и Дж. Штейнбергер в ускорительном эксперименте доказали существование еще одного типа этой частицы - мюонного нейтрино. Третий тип - тау-нейтрино был экспериментально открыт в 2000 году в эксперименте DONUT.

Детектор Super-Kamiokande заполнен 50000 тонн сверхчистой воды, просматриваемой 11146 фотоумножителями.

В конце 1960-х Рэй Дэвис поставил серию экспериментов по детектированию солнечных нейтрино, чтобы проверить теорию о том, что энергия Солнца происходит за счет выделения энергии в реакциях ядерного слияния. Солнечные нейтрино действительно были найдены, но их оказалось в три раза меньше, чем ожидалось согласно расчетам. Этот результат был встречен научным сообществом с сомнением. Теоретические расчеты были многократно повторены, и ошибок в них не найдено. Дэвис перепроверил каждый этап своего измерения и настаивал на правильности экспериментального результата. Последовали новые эксперименты: Super-Kamiokande в Японии, советско-американский эксперимент SAGE, проводимый в Баксанской лаборатории, GALLEX в Италии, SNO в Канаде. Все они также наблюдали дефицит солнечных электронных нейтрино. Несмотря на первоначальные сомнения в правильности результата эксперимента Дэвиса, выдающийся физик Б.М.Понтекорво, работавший в Дубне, предположил, что наблюдаемый результат может быть проявлением эффекта нейтринных осцилляций - перехода одного типа нейтрино в другой, предложенного им еще в 1957 году. В конечном итоге он оказался прав.

В 1998 году эксперимент Super-Kamiokande сообщил о подтверждении нейтринных осцилляций. Измерив поток мюонных нейтрино, рождающихся во взаимодействии космических протонов, бомбардирующих атмосферу Земли, физики обнаружили, что число нейтрино, приходящих из-под Земли, примерно в два раза меньше, чем число нейтрино, детектируемых сверху. Хорошим объяснением такого наблюдения было предположение о том, что мюонные нейтрино, проходящие большее расстояние, успевают видоизмениться за счет осцилляций сильнее по сравнению с нейтрино, приходящими сверху. Однако детектор Super-Kamiokande не был способен подтвердить, что из-за осцилляций нейтрино действительно появляются новые типы этих частиц.

Детектор SNO заполнен тысячей тонн тяжелой воды. Это позволило SNO регистрировать взаимодействия нейтрино всех трех типов.

Прямым и однозначным подтверждением осцилляций стал эксперимент SNO, в котором стало возможно регистрировать как электронные нейтрино, так и суммарный вклад всех трех типов нейтрино. Действительно, SNO подтвердил, что электронных нейтрино приходит меньше, чем следует в отсутствие осцилляций. При этом суммарное число нейтрино всех типов оказалось в хорошем согласии с теорией. Важным для понимания картины осцилляций солнечных нейтрино стал также эффект изменения осцилляционных параметров в присутствии вещества, который был предложен С.П.Михеевым, А.Ю.Смирновым и Л.Вольфенштейном, теперь по их именам он называется эффектом MSW.

Результаты SNO были подтверждены и уточнены в эксперименте с реакторными антинейтрино. Детектор KamLAND заполнен жидким сцинтиллятором для измерения потока антинейтрино от окружающих его реакторов, находящихся в среднем на расстоянии порядка 200 км. KamLAND обнаружил дефицит антинейтрино, имеющий периодическую зависимость от переменной L/E, где L - расстояние от реактора до детектора, а E - энергия антинейтрино, что хорошо согласуется с гипотезой нейтринных осцилляций.

Детекторный комплекс KamLAND (Япония).

В этих экспериментах были измерены два из трех углов смешивания 12, 23 и две разности квадратов масс. Однако белые пятна еще оставались. Одной из центральных проблем стал вопрос о величине угла смешивания между первым и третьим поколениями нейтрино 13. Решить эту задачу поставили своей целью ускорительные (T2K, MINOS) и реакторные (Daya Bay, RENO, Double Chooz) эксперименты.

Указания о существовании осцилляций мюонных нейтрино в электронные, говорящие о вероятно ненулевом угле смешивания 13, были получены в 2011 году в ускорительных экспериментах T2K/K2K, где пучки мюонных нейтрино направлялись в детектор Super-Kamiokande. Однако первым экспериментом, обнаружившим ненулевое значение угла смешивания 13 на уровне достоверности, превышающем пять стандартных отклонений, стал эксперимент Daya Bay. На сегодняшний день этот же эксперимент имеет и самое точное измерение угла 13. Результаты T2K, MINOS, RENO, Double Chooz хорошо согласуются с измерением Daya Bay.

Восемь детекторов такого типа были использованы в эксперименте Daya Bay.

Таким образом, оказались измеренными все три угла смешивания нейтрино. Нейтринные осцилляции прочно заняли свое место среди физических эффектов, реализованных в Природе.

Сотрудники ОИЯИ активно участвовали в эксперименте Daya Bay. В его трехзонных детекторах используются два типа жидких сцинтилляторов - с добавлением гадолиния и без него. Группа ОИЯИ внесла значительный вклад в разработку состава и исследование свойств обоих сцинтилляторов, а также участвовала в разработке технологической схемы их производства. Одновременно с этим ОИЯИ обеспечил поставку 2,5-дифенилоксазола (РРО), сцинтилляционной добавки, без которой невозможно было изготовление 380 тонн жидких сцинтилляторов, ставших основой детекторов Daya Bay. Для реализации этого группой ОИЯИ в сотрудничестве с Институтом сцинтилляционных материалов Национальной академии наук Украины было организовано производство РРО на Шосткинском заводе химических реактивов (Украина), что позволило изготовить и поставить в Китай 1500 кг этого важнейшего компонента жидких сцинтилляторов эксперимента Daya Bay.

Кроме того, физики ОИЯИ вносят существенный вклад в анализ экспериментальных данных. Группа ОИЯИ разрабатывает собственное программное обеспечение и методы анализа данных эксперимента Daya Bay и является одной из четырех независимых групп, занимающихся осцилляционным анализом данных эксперимента. Главные результаты эксперимента Daya Bay были получены при активном участии физиков ОИЯИ.

Нейтринные осцилляции являются "горячей темой" в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии. Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена именно за открытие нейтринных осцилляций. Это уже четвертая Нобелевская премия, посвященная этой удивительной частице, а в этом году нейтринные осцилляции отмечены очередной престижной премией в мире науки Breakthrough Prize.

Несмотря на то, что явление нейтринных осцилляций - уже надежно установленный экспериментальный факт, интерес к нейтрино растет и все большее число ученых и специалистов, включая молодежь, работает в области нейтринной физики. Для исследования свойств нейтрино планируются все более тонкие и амбициозные эксперименты.

Многие из наиболее важных экспериментов и проектов в нейтринной физике входят в Нейтринную программу ОИЯИ, в рамках которой в Институте работает большой коллектив физиков, химиков и инженеров. Нейтринная программа ОИЯИ является самой широкой по охвату тем в физике нейтрино среди всех научных центров мира, поэтому следует ожидать появления в ОИЯИ новых фундаментальных результатов в этой области исследований.