Горизонты научного поиска

Нейтрино - актуально, многолико и вездесуще...

Если задаться вопросом, какая научная проблема сегодня наиболее важна и наиболее фундаментальна, то ответ очевиден - та, решение которой позволит дать ответы на максимальное число самых актуальных вопросов современного этапа развития самой науки.

В физике элементарных частиц сегодня такой центральной проблемой является природа нейтрино. Под этим понимаются те свойства нейтрино, которые определяют специфику их взаимодействия с внешним миром, то есть их массы, характер их превращения друг в друга, сколько всего типов различных нейтрино, дираковские они или майорановские, имеют ли электромагнитные свойства и т.п.

Эта действительно ключевая, междисциплинарная проблема, которая пронизывает всю физику элементарных частиц, космологию и астрофизику. Наличие ненулевых масс у нейтрино важно для построения современных теорий элементарных частиц, понимания строения Вселенной и образования в ней крупномасштабных структур типа скоплений галактик. Здесь легкие массивные нейтрино играют роль так называемой горячей темной (или скрытой) материи. Исследование свойств нейтрино, в том числе и электромагнитных, необходимо для решения проблемы дефицита солнечных нейтрино, выяснения механизмов взрыва сверхновых и образования энергии в звездах (на Солнце) и в недрах нашей Земли, для понимания причин возникновения космических лучей сверхвысоких энергий. По-видимому, только благодаря исследованию потоков космических нейтрино можно будет получить информацию о самых отдаленных уголках Космоса. До сих пор не решена проблема реликтовых нейтрино, существование которых следует из современной концепции ранней Вселенной. Считается, что наряду с фотонами нейтрино - самые распространенные частицы во Вселенной.

В последнее время широко обсуждается возможность, что нейтрино дают ключ к объяснению барионной асимметрии. То есть образование избытка барионов (по отношению к антибарионам) возможно за счет нарушения CP симметрии в лептонном секторе с участием нейтрино. Таким образом, без понимания свойств нейтрино невозможно даже приблизиться к ответу на вопрос о том, почему окружающий нас мир именно так устроен.

С другой стороны, физика нейтрино и слабых взаимодействий теснейшим образом граничит с областью так называемой новой физики - физики за рамками Стандартной модели элементарных частиц. Эта область, безусловно, существует, именно в процессе ее исследования будет построена новая, более общая теория элементарных частиц (например, на основе идеи суперсимметрии). Основной интерес здесь лежит в сфере поиска таких процессов, частиц и закономерностей, которые противоречат теоретическим представлениям Стандартной модели.

Особую актуальность исследования по физике нейтрино приобретают сегодня после измерения в 2011 году значения угла смешивания ₁₃ матрицы Понтекорво-Маки-Накагава-Саката. Этот угол оказался достаточно велик, порядка 0,15 рад, что позволяет рассчитывать на перспективное продолжение реакторных и ускорительных экспериментов по изучению иерархии масс нейтрино и эффектов нарушения CP четности в лептонном секторе. Оба этих вопроса имеют первостепенное значение для понимания роли нейтрино в эволюции Вселенной и происхождении ее барионной асимметрии.

Другой актуальной темой является обнаруженный "на кончике пера" (в результате проведения новых вычислений) дефицит потока антинейтрино от реактора. Предполагаемый эффект получил название "аномалия реакторных антинейтрино", который можно интерпретировать как осцилляции реакторных антинейтрино в стерильные состояния. Несколько групп уже нацелены на обнаружение такого дефицита и, следовательно, поиск стерильных нейтрино. Пожалуй, наилучшие перспективы в этом направлении сегодня имеют сотрудники ОИЯИ, проводящие эксперимент DANSS на Калининской атомной станции с уникальным по интенсивности потоком реакторных антинейтрино (на снимках: общий вид атомной станции; схема установки).

Итак, по степени фундаментальности и мировоззренческой важности в современной физической науке исследованиям по физике нейтрино нет конкурентов. Более того, уникальны перспективы и прикладных исследований по физике нейтрино. Совсем недавно, благодаря очень чувствительным приборам, были зарегистрированы нейтрино из недр Земли, так называемые геонейтрино. Не говоря уж о фундаментальности этого явления, исследование потоков геонейтрино крайне важно для геофизики - понимания процессов, протекающих внутри нашей планеты.

Команда DANSS

На новый уровень сегодня выходят прикладные нейтринные исследования на промышленных и исследовательских ядерных реакторах - это исследования процессов внутри реакторов с помощью антинейтрино для задач ядерной энергетики. Они включают непрерывное измерение мощности реактора и степени выгорания топлива, томографию выгорания топлива в реальном времени, создание компактных детекторов антинейтрино для дистанционного контроля в реальном времени наработки и несанкционированного отбора плутония в процессе работы реактора (для предотвращения распространения ядерного оружия) и т.п.

Это ярчайший пример практической пользы фундаментальной науки. Физика нейтрино для решения своих внутренних задач требует уникальной аппаратуры, на пути создания которой возникают совершенно новые, не менее уникальные технологии, материалы и приборы, которые, в свою очередь, оказываются востребованными как в других областях самой науки, так и в повседневной жизни.

Итак, междисциплинарный характер изначально присутствует в физике нейтрино. Эта общефизическая междисциплинарность заложена в многогранности проявлений нейтрино и их значимости во многих областях современной физики, астрофизики и прикладных исследованиях.

По всему миру растет число экспериментальных и теоретических групп, занимающихся нейтринной тематикой, ежегодно возрастает поток публикаций по этому вопросу, организуются все новые конференции. Без сомнений, эта тенденция сохранится и в обозримой перспективе.

Вадим БЕДНЯКОВ