Експеримент NOvA отримав перші — і несподівані — результати з пучком антинейтрино

Ріс. 1. Учасники конференції Neutrino 2018 в головному залі конгрес-центру в Гейдельберзі. Фото з офіційного твіттера конференції

На початку червня в Гейдельберзі пройшла найбільша конференція в галузі нейтринної фізики. На ній були представлені важливі результати багатьох нейтринних експериментів. Однією з головних подій стала доповідь колаборації, що працює на установці NOvA. Їх вимірювання фундаментальних параметрів нейтринних осциляцій не дуже узгоджуються з результатами інших експериментів.

На початку червня в німецькому Гейдельберзі відбулася XXVIII Міжнародна конференція з нейтринної фізики та астрофізики (Neutrino 2018) — найбільша конференція в галузі нейтринної фізики, що проходить раз на два роки. Цього року в ній брало участь близько 800 вчених. Більшість «нейтринників» готують результати саме до цієї конференції, щоб представити їх широкому колу фахівців і особисто обговорити з колегами. Всі особливо чекали результатів від експериментів, які працюють в найбільш «гарячих» точках цієї області фізики. І вони не змусили себе чекати. Важливі і несподівані результати представила колаборація експерименту NOvA: його вимірювання фундаментальних параметрів нейтринних осциляцій розходяться з даними інших експериментів. Ще однією важливою подією цієї конференції стало повідомлення колаборації MiniBooNE про те, що вони продовжують реєструвати підвищену кількість нейтринних осциляцій, що можна тлумачити як вказівку на існування стерильних нейтрино.

Але про все по порядку.

Нейтринні осциляції

Одне з головних завдань сучасних нейтринних експериментів — вивчення нейтринних осциляцій — періодичні зміни виду, до якого належить нейтрино, при русі в просторі. Це явище добре відоме і визначається самою природою частинок. За відкриття нейтринних осциляцій була присуджена Нобелівська премія з фізики в 2015 році.

У Стандартній моделі відомо про три види нейтрино — електронного, мюонного і тау (на фізичному жаргоні ці види називають «ароматами»). Несподіваним виявилося те, що ці — різні — нейтрино можуть змішуватися і змінювати свою «видову приналежність». Щоб описати цей процес, зручно уявляти нейтрино, як суперпозицію інших частинок — так званих «масових» нейтрино. Їх теж три типи, вони характеризуються різною масою і носять умовні назви 1, 2 і 3. При поширенні в просторі «масові» нейтрино набувають різні швидкості через різну масу: в потоці найлегші частинки рухаються швидше, а найважчі — повільніше. Тому склад «масових» частинок змінюється при русі, що викликає і зміну виду («аромату») нейтрино. Наприклад, якщо спочатку був народжений пучок мюонних нейтрино, то після проходження якоїсь відстані в цьому пучку з’являються електронні і тау-нейтрино (рис. 2). Кварки, до речі, мають аналогічну властивість.

Ріс. 2. Нейтрино являє собою суперпозицію «масових» нейтрино 1, 2 і 3 і це грає роль при русі частинки. Через різні значення мас нейтрино 3 на цьому малюнку запізнюється порівняно з нейтрино 1 і 2, через що суперпозиція змінюється. Різні суперпозиції відповідають різним видам («ароматам») нейтрино. Таким чином, якщо, наприклад, спочатку в потоці були тільки мюонні нейтрино, то через якісь відстань в потоці з’являться ще електронні і тау-нейтрино. Малюнок з сайту www-hep.physics.wm.edu

Треба зазначити, що хоча самі «масові» нейтрино неможливо спостерігати, реєстрація нейтринних осциляцій, фактично, підтвердила, що такий теоретичний опис вірно відображає реальність.

Цей процес дуже схожий на звичайні коливання і має дві важливі характеристики — амплітуду осциляцій, яка визначається кутами змішування _{^ 12}, _{^ 13}, _{^ 23} (вони також пов’язують масивні і ароматні нейтрино), і період осциляцій, який визначається різницями квадратів мас нейтрино. Крім цього, у ймовірності осциляцій входить ще один параметр, що відповідає за порушення CP-інваріантності у лептонів — фаза ­ _CP, який характеризує величину CP-порушення. Таким чином, вивчаючи осциляції нейтрино, можна вимірювати ці фундаментальні параметри.

За фізику нейтрино вже було отримано чотири Нобелівські премії, але відкритих питань залишається ще дуже багато. Так що перед нейтринними експериментами стоять наступні завдання: визначення природи нейтрино — це частинки Дірака (нейтрино і антинейтрино — різні частинки) або частинки Майорани (нейтрино і антинейтрино — одна і та ж частинка), вимірювання маси нейтрино, пошук екзотичних станів — наприклад, важких (з масами багато більше ТЕВ) і стерильних нейтрино, які взаємодіють тільки через гравітаційну або якусь поки невідому взаємодію. Осциляційні експерименти займаються вимірюванням в деякому роді вже класичних і відомих величин, які в той же час є важливими параметрами, що характеризують одну з фундаментальних частинок природи.

Головні завдання у фізиці нейтринних осциляцій — визначення ієрархії мас, фази порушення CP-інваріантності в лептонному секторі, а також прецизійний вимір всіх параметрів осциляцій, у тому числі кута змішування _{плечей 23}, який відомий зараз з найменшою точністю. Чим точніше будуть вимірені параметри осциляцій, тим більше обмежень це буде накладати на існуючі теорії (наприклад, теорії походження мас нейтрино), оскільки в більшості з них передбачаються якісь математичні рівності між параметрами осциляцій (так звані правила сум, див., наприклад, статті A. Damanik, 2018. Neutrino mass sum-rule и J. Gehrlein et al., 2016. Predictivity of neutrino mass sum rules).

Ієрархія мас нейтрино — це порядок розташування «масових» нейтрино на шкалі мас. Дві маси — m₁ і m₂ — розташовані дуже близько і досить добре вивчені (див. KamLAND Collaboration, 2002. First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Anti-Neutrino Disappearance), а третя маса, m₃, відстоїть досить далеко (рис. 3). При цьому невідомо, в який бік вона відстоїть: чи більше вона мас m₁ і m₂ (це називають нормальним порядком) або менше їх (зворотний порядок).

Ріс. 3. Питання про порядок розташування мас нейтрино — одне з найважливіших у фізиці нейтринних осциляцій. Можливі два варіанти: нормальний (ліворуч) і зворотний (праворуч). Кольорами показано різні аромати нейтрино. Малюнок з сайту neutel11.wordpress.com

Експерименти з атмосферними нейтрино чутливі до величини різниць квадратів мас нейтрино, але недостатньо чутливі до ієрархії мас. У ряді теорій це відіграє досить важливу роль, наприклад, в моделях, що описують походження мас нейтрино (так званий «механізм гойдалок», див. Seesaw mechanism), у фізиці наднових (там, де описується проходження нейтрино через шари зірки), в теорії безнейтринного подвійного бета-розпаду, за допомогою якого вчені намагаються зрозуміти природу нейтрино (частинки чи це Діоранка. У разі зворотної ієрархії ми вже зараз буквально на порозі необхідної чутливості, а в разі нормальної ієрархії ситуація інша — потрібно ще багато років копіткої роботи (рис. 4).

Ріс. 4. Передбачувані області для пошуку безнейтринного подвійного бета-розпаду для випадків нормальної (червона область) і зворотної (зелена область) ієрархії мас. Значення ефективної маси (математична конструкція, залежна від мас нейтрино 1, 2, 3 і параметрів змішування, див. S. M. Bilenky et al., 2004. Majorana neutrino masses, neutrinoless double beta decay, and nuclear matrix elements) в теорії безнейтринного бета-розпаду залежать від ієрархії мас нейтрино і маси найлегшого нейтрино. У разі, якщо у «масових» нейтрино зворотна ієрархія, вчені вже зараз дуже близько до передбачуваних значень. Сірими смугами показані області параметрів, які були виключені попередніми вимірами. Малюнок зі статті M. Mitra et al., 2012. Heavy Sterile Neutrinos and Neutrinoless Double Beta Decay

Фаза СР-порушення в лептонному секторі (_{^ CP}) — фундаментальний параметр, який може допомогти в поясненні баріонної асиметрії Всесвіту через лептогенезис. У цій теорії в ранньому Всесвіті асиметрія «частинка-античастиця» з’явилася біля лептонів, а потім перейшла в баріонний сектор. Згідно з умовами Сахарова (див. статтю В. Рубакова і Б. Штерну «Сахаров і космологія») для виникнення асиметрії необхідне порушення CP-інваріантності — саме тут і проявляється роль ­ _CP. У цьому питанні багато невизначеностей, оскільки моделі лептогенезису тісно пов’язані з моделями появи мас нейтрино і фазою СР-порушення. Звичайно, одного виміру _буде недостатньо для відповіді на питання про баріонну асиметрію, але, знову ж таки, його можна використовувати для відсіювання теорій. А якщо колись настане визначеність і в поясненні механізму походження мас нейтрино, і в значенні фази ­ _CP, то можна буде вже робити висновки про походження баріонної асиметрії.

Експеримент NOvA

Осциляційні нейтринні експерименти можна розділити за типом джерела нейтрино. Природні (атмосферні, сонячні) нейтрино вивчаються або вивчалися на Байкальському нейтринному телескопі і установках IceCube, Super-Kamiokande, Borexino, SNO, штучні (реакторні, прискорювальні) — на установках Daya Bay, T2K, NOvA.

Прискорювальних нейтринних експериментів зараз працює всього два: T2K в Японії і NOvA в США. Їхні завдання дуже схожі: вивчення нейтринних осциляцій, а саме — зникнення мюоннних і поява електронних нейтрино.

Для вимірювань в експерименті NOvA використовується пучок нейтрино від прискорювача NuMI, який знаходиться в Національній прискорювальній лабораторії ім. Фермі (Фермілабе, рис. 5). Нейтрино виробляються так: спочатку пучок протонів розганяється в прискорювачі до енергії 120 ГЕВ, потім він виводиться на мішень — графітову пластину товщиною 1,2 м. В результаті взаємодії протонів і речовини мішені найчастіше народжуються — і К-мезони. Ці частинки продовжують рухатися в напрямку початкового пучка в розпадний канал. Найімовірніший розпад мезонів відбувається на пару «лептон + нейтрино». Так виходить майже чистий потік мюонних нейтрино (з невеликою домішкою електронних нейтрино).

Ріс. 5. Схема експерименту NOvA, в якому вивчається потік мюонних нейтрино з Фермілаба. Дальній детектор знаходиться на відстані 810 км від місця народження нейтрино. Поки частинки долають цю відстань, у пучці з’являються нейтрино інших ароматів. Малюнок з доповіді S. Yu, 2018. Latest Neutrino Oscillation Results from NOvA

Щоб реєструвати склад пучка на початку і в кінці шляху, в експерименті використовуються два детектори. Ближній знаходиться на відстані 1 км від мішені (для вимірювання пучка до осциляцій), дальній — на відстані 810 км. Детектори у фізиці нейтрино являють собою грандіозні споруди через дуже слабку взаємодію частинок з речовиною (рис. 6). Ближній детектор експерименту NOvA має розміри 15 ст.14 ст.14 м і важить 300 тонн, дальній детектор — розміри 60 ст.115 ст.115 м, а важить 14 000 тонн. Обидва детектори мають коміристу структуру, заповнену рідким сцинтилятором з домішкою органічних масел.

Ріс. 6. Детектори експерименту NOvA в порівнянні з людиною і Аеробусом A380 — найбільшим пасажирським літаком у світі на даний момент. Зліва направо: дальній детектор, ближній детектор, прототип детекторів (використовувався перед запуском експерименту для попередніх вимірювань). Малюнок з сайту en.wikipedia.org

Нові результати

Якщо в колайдерах накопичена статистика вимірюється за допомогою світності, то в прискорювальних експериментах з осциляцій нейтрино все визначається інтенсивністю вихідного протонного пучка. Тому вимірюють цю статистику виходячи з кількості протонів, що провзапозичили з мішенню експерименту, це величини близько 10²⁰.

Експеримент NOvA працює з пучком нейтрино і антинейтрино — це необхідно для того, щоб виміряти CP-порушення. За три роки роботи в дальньому детекторі:

• з інтегральною статистикою 8,85 1916 ¹⁰20 протонів, скинутих на мішень, у пучці нейтрино було знайдено 58 подій-кандидатів(nu _murightarrownu _ e) та 113 подій(nu _murightarrownu _mu),
• з інтегральною статистикою 6,91 1916 ¹⁰20 протонів, скинутих на мішень, в пучці антинейтрино було знайдено 18 подій(barnu _murightarrowbarnu _ e) і 65 подій(barnu _murightarrowbarnu _mu) (це перші дані NOvA з антинейтринним пучком).

Спільний аналіз цих спектрів наклав такі обмеження на параметри осциляцій: Найкращою є нормальна ієрархія мас нейтрино,   CP = 0,17.200,(sin ^ 2theta _ {23} = 0 {,} 58pm0 {,} 03) ,(Delta m ^ 2 _ {32} = m _ 3 ^ 2-m _ 2 = 2 {,} 51 ^ {0 {,^{} 12} _ {-0 {,},} 08 }\times2}

Як ці результати співвідносяться з результатами інших експериментів?

Всі існуючі результати свідчать на користь нормальної ієрархії мас нейтрино. Однак достовірність цих даних не висока: окремо значимість результатів експериментів NOvA і T2K становить близько 2º. Глобальний аналіз даних всіх експериментів, зроблений, наприклад, групою з Валенсії, дає результат близько 3ºдля нормальної ієрархії (P. F. De Salas et al., 2018. Status of neutrino oscillations 2018: 3σ hint for normal mass ordering and improved CP sensitivity).

А значення параметра   CP вийшло досить несподіваним. Справа в тому, що абсолютно всі експерименти віддають перевагу значенню СР-фази близько 1,5º, тобто максимальному СР-порушення в лептонному секторі. А у NOvA вийшов результат, близький до 0, — тобто СР-порушення відсутнє. Однак, варто зазначити, що область 3.200/2 відкидається на досить низькому рівні значущості (близько 1º).

Що стосується кута _{^ 23}, то отримане значення виявилося більше 45 °, а з рівнем достовірності 2,3.200значення ^ 23 = 45 ° зовсім виключається, що теж не сходиться з результатами інших експериментів: T2K дає ^ 23 ст.145 °, а останній аналіз даних експерименту MINOS _— ^ 23 < 45 ° (рис. 7).

Ріс. 7. Порівняння всіх результатів нейтринних прискорювальних експериментів на конференції Neutrino 2018. На малюнку представлені контури допустимих значень параметрів(sin ^ 2theta _ {23}) і(Delta m ^ 2 _ {32}) з 90% рівнем достовірності для нормальної ієрархії, показані експериментами NOvA, T2K і MINOS. Графік з доповіді S. Dolan, 2018. The latest results from T2K_. To δCP and Beyond

Колаборація провела дослідження причин, через які вийшли такі значення. Нові дані з антинейтринним пучком «відтягують» значення _{в CP} і _{на 23} в дещо несподівані області, в той час як дані з пучком нейтрино залишаються в звичних значеннях (рис. 8). Правильна стратегія роботи експерименту в такому випадку — продовжувати набирати дані з пучком антинейтрино, до тих пір, поки статистичні помилки вимірювань не стануть істотно меншими.

Ріс. 8. Дані експерименту NOvA в каналі появи електронних нейтрино і порівняння з передбачуваними значеннями числа подій. Горизонтальна вісь — передбачуване значення кількості подій в режимі з пучком нейтрино, вертикальна вісь — кількість подій з пучком антинейтрино. Еліпси — це передбачувані значення для різних випадків ієрархії мас (помаранчеві — зворотна ієрархія, блакитні — нормальна ієрархія) і значення _{^ 23} (вище діагоналі — > 45 °, нижче діагоналі — < 45 °), мітки на еліпсах — різні значення фази ^ CP. Графік з обговорюваної доповіді

Neutrino 2018: широкий контекст

Доповідь NOvA була однією з ключових доповідей щодо нейтринних осциляцій, але, зрозуміло, не єдиною. Багато часу на конференції Neutrino 2018, звичайно ж, приділялося майбутнім експериментам в осциляційній фізиці, особливо гігантам T2HK, DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO та іншим. Всі вони — поліпшені модифікації діючих зараз експериментів і націлені на отримання остаточних результатів зі згаданих вище питань.

У найближчі роки, а саме до 2025 року, в окремих експериментах планується вимірювання всіх осциляційних параметрів з точністю до процентного рівня, а фази СР-порушення та ієрархії мас — на рівні до 3º.

Цікаві результати варто очікувати і від експериментів з пошуку стерильних нейтрино (sterile neutrino) — гіпотетичного різновиду нейтрино, які взаємодіють зі звичайною речовиною тільки через гравітацію. На цій конференції в декількох доповідях стверджувалося про спостереження сигналу, який можна трактувати як свідчення на користь цієї гіпотези. Зокрема, експеримент MiniBooNE (також розташований в Фермілабі) продовжує «бачити» підвищене число осциляцій(nu _murightarrownu _ e) з досить високою значимістю (близько 4,8º), що можна розглядати як прояв існування стерильних нейтрино і їх осциляцій з «ароматними» нейтрино.

Експеримент MiniBooNE був створений для перевірки результатів експерименту LSND, який одним з перших отримав такі результати майже 20 років тому. Спільний аналіз результатів MiniBooNE і LSND дає значимість існування стерильних нейтрино вище 6º- це дуже серйозне твердження. У свою чергу, для перевірки результатів MiniBooNE був створений експеримент MicroBooNE (теж у Фермілабі) і його дані в наступні роки зможуть пролити світло на результати MiniBooNE і LSND. Також вітчизняний експеримент DANSS після року набору даних зі значимістю 3ºотримав відмінні від нуля параметри змішування для 4-го стерильного стану. Аналіз більшої статистики DANSS і результати експерименту MicroBooNE можуть поставити крапку в питанні існування стерильних нейтрино.

Цього року починає повноцінний набір даних експеримент KATRIN, який буде вимірювати маси нейтрино, виходячи з форми спектру бета-розпаду тритію. Експериментальна фізика в цій області поступово входить в еру все більш точних вимірювань. З нетерпінням будемо чекати його перших результатів.

Насправді кожна доповідь на конференції Neutrino 2018 була цікава навіть не тільки результатами, а ще й майбутніми перспективами. Дотримуючись вже сформованої традиції, до наступної конференції з цієї серії, яка пройде в 2020 році, з’являться ще більш цікаві результати, а в деяких питаннях нарешті буде поставлена крапка.

Джерело:

Mayly Sanchez (від імені колаборації NOvA). NOvA Results and Prospects//Доповідь на конференції Neutrino 2018. DOI: 10.5281/zenodo.1286758.

Про інші результати у фізиці та астрофізиці нейтрино див. також:

1) Отримано перші натяки на ефект Міхеєва-Смирнова-Вольфенштейна при русі нейтрино крізь Землю, «Елементи», 03. 04.2014.2

) Нейтринна астрофізика робить перші кроки, «Елементи», 20.11.2015.

3) Циклотронне випромінювання відкриває нові можливості для вимірювання маси нейтрино, «Елементи», 29.04.2015.

4) I:

Людмила Колупаєва