В ближайшие десятилетия речь пойдет о его практическом применении

Накануне Дня российской науки в Кремлевском дворце наградили лауреатов премии правительства Москвы для молодых ученых. Лауреатов много, в том числе награду 2 млн руб. разделили два сотрудника отдела физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН: Александр Измайлов и Артур Шайхиев. Они премированы за цикл статей о свойствах нейтрино и поиске СР-нарушения в лептонном секторе.

Нейтрино — мельчайшая элементарная частица. Она обладает удивительными свойствами: миллиарды нейтрино проходят ежеминутно через тело человека и даже земной шар, не взаимодействуя никак с другими элементарными частицами. Есть разные источники нейтрино: в недрах Солнца, при термоядерных реакциях, в верхних слоях атмосферы при ее бомбардировке космическими лучами, при бета-распаде частиц в ядерных реакторах, а также в глубине Земли. Александр Измайлов и Артур Шайхиев изучали нейтринные пучки, созданные с помощью ускорителей.

Нейтрино не имеют электрического заряда, обладают ничтожной массой и практически не взаимодействуют с другими частицами. Если бы можно было создать свинцовый стержень длиной один световой год, то типичный нейтрино мог бы пройти его из конца в конец, не задев ни одного атома, пишет в книге «Охотники за нейтрино» Рэй Джаявардхана.

Согласно Стандартной модели, к которой физики пришли в конце 1970-х годов, в мире существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, соответствующие своим лептонам — электрону, мюону и тау. Масса нейтрино полагалась равной нулю, предполагалось сохранение индивидуального лептонного числа. Хотя Стандартная модель и представляется как завершенная теория, описывающая элементарные частицы с очень большой точностью, однако она зависит от входных параметров, которые не могут быть предсказаны этой моделью и должны определяться экспериментально.

В конце 1990-х — начале 2000-х годов были обнаружены осцилляции нейтрино — переход между тремя типами. Это явление предположил в 1957 году советско-итальянский физик Бруно Понтекорво. Переходы требуют наличия у нейтрино ненулевой, пусть и очень малой массы, что дало указание на существование «новой физики», выходящей за пределы Стандартной модели. И именно нейтринные эксперименты положили начало изучению этой «новой физики».

Первым гипотезу о существовании нейтрино выдвинул физик Вольфганг Паули в 1930-х годах, экспериментально доказать существование нейтрино удалось в 1956 году американским ученым Рейнесу и Коуэну (за что в 1995 году Рейнес получил Нобелевскую премию). В дальнейшем были зарегистрированы нейтрино от различных источников и было показано существование трех типов нейтрино, а также их античастиц.

Нобелевская премия 2002 года была вручена за регистрацию солнечных нейтрино, а также нейтрино от взрыва сверхновой звезды, а премия 2015 года — за открытие осцилляций нейтрино на детекторах Super-Kamiokande в Японии и детекторе SNO в Канаде. В настоящее время ведется активное изучение нейтрино от различных источников: солнечных нейтрино, ускорительных, атмосферных, космических, реакторных, геонейтрино. Все это с целью получить полную картину нейтринной физики.

Эксперимент T2K (Tokai-to-Kamioka), участниками которого стали лауреаты премии Измайлов и Шайхиев, использует ускорительные нейтрино, создаваемые с помощью протонного ускорителя частиц (синхротрона) в центре J-PARC, находящемся на востоке Японии в городе Токай (140 км на север от Токио). В зависимости от полярности Т2К работает с пучком мюонных нейтрино или антинейтрино. Пучок нейтрино направлен и регистрируется дальним детектором Super-Kamiokande, это 50-килотонный водный детектор, установленный в шахте глубоко под землей для того, чтобы избежать помех в виде космических лучей. Он находится на расстоянии 295 км от J-PARC. Осцилляции нейтрино изучаются путем сравнения потока и нейтринных типов, полученных в дальнем детекторе, с измерениями, полученными в J-PARC. Важная часть ускорительных экспериментов — измерение параметров нейтринного пучка до процесса осцилляции. Для этих целей используется ближний детектор ND280, находящийся на расстоянии 280 м от протонной мишени. Данные ближнего детектора позволяют существенно увеличить точность измерения параметров нейтринных осцилляций путем измерения параметров нейтринных взаимодействий, а также нейтринного пучка.

Работа лауреатов была связана в основном с данными ближнего детектора. Он комплексный: время-проекционные камеры, заполненные аргоном; трековые детекторы на основе пластиковых сцинтилляторов; электромагнитные калориметры. Все детекторы помещены в магнитное поле. Такая конфигурация детектора позволяет изучать различные каналы нейтринных взаимодействий. Один из детекторов — мюонного пробега — представляет собой ярмо магнита, оборудованное пластиковыми сцинтилляторами. Этот детектор разработан и создан силами сотрудников Института ядерных исследований РАН.

Т2К начал набор данных в 2010 году, и первым международно признанным результатом стало указание на наличие ненулевого угла смешивания нейтрино, тета-13, который определяет переходы между мюонными и электронными нейтрино в Т2К, а также эффекты осцилляций для реакторных нейтрино. Этот результат был затем подтвержден в реакторных экспериментах. В 2016 году коллаборация ученых получила за этот результат Breakthrough Prize for Fundmental Physics (премию за прорыв в науке, приближающейся по престижности к Нобелевской премии).

Почему же угол тета-13 так важен? Нейтрино, будучи практически безмассовой и практически не взаимодействующей с веществом частицей, позволяет изучать множество процессов, начиная от моделей Солнца и Земли до эволюции звезд и Вселенной.

Мы все живем в мире вещества. Антивещество наблюдается в минимальных количествах, например, его нужно специально получать на ускорителях. Существуют модели, которые объясняют нарушение симметрии между веществом и антивеществом в первые моменты после Большого взрыва. Одним из важных условий, так называемых условий Андрея Сахарова, наряду с наличием распада протона и наличия тяжелых частиц, приводящих к нарушению термодинамического равновесия, является наличие так называемого СР-нарушения (комбинированной пространственной и зарядовой четности).

Слабое СР-нарушение наблюдается в секторе кварков, например, для каонов и B-мезонов). Однако остается неизученным сектор лептонов (электронов, мюонов, тау — заряженных частиц — и соответствующих им нейтрино). Именно нейтринные эксперименты могут позволить пролить свет на эту проблему. Эффект СР-нарушения может проявляться в разности вероятности осцилляций мюонных нейтрино в электронные и соответствующих осцилляций антинейтрино. Наличие ненулевого и достаточно большого угла смешивания тета-13 позволяет изучать эти процессы на имеющихся и будущих ускорителях.

Так вот, одним из результатов, за которые Измайлов и Шайхиев получили премию, является впервые полученное с достоверностью 99% указание на наличие сильного СР-нарушения в секторе нейтрино. Этот результат требует дальнейшего экспериментального изучения, чтобы можно было заявить непосредственно об открытии эффекта СР-нарушения. В настоящее время эксперимент Т2К и похожий на него эксперимент NOVA в США продолжают набор данных. Также планируются будущие мегапроекты Hyper-Kamiokande (в 8 раз больше у воды, чем Super-Kamiokande) и эксперимент на основе жидкого аргона DUNE в США. По количеству участников и затраченным ресурсам эти эксперименты, безусловно, станут одними из лидеров «большой науки», которая ранее в основном была связана с физикой на коллайдерах. Ожидается получение к 2030-м годам ответа на фундаментальные вопросы физики нейтрино.

Еще одним результатом, который выдвигался на премию правительства Москвы молодым ученым, было получение в эксперименте Т2К одного из лучших ограничений на смешивание нейтрино с гипотетически существующими тяжелыми стерильными нейтрино, которые могут быть использованы как для объяснения масс самих нейтрино, так и на существование «темной материи».

Важным результатом стали также данные о взаимодействии различных типов нейтрино с веществом. Для корректного описания поведения нейтрино в детекторах и, соответственно, для повышения измерительной точности необходимо построение моделей взаимодействий в плотной ядерной среде. Такие модели эффективны и требуют настройки на экспериментальных данных.

Что же касается практического применения результатов этих исследований, то нейтрино уже используются для построения моделей и понимания процессов в ядре и мантии Земли. Во-вторых, мониторинг нейтрино может позволить осуществлять удаленный контроль за работой ядерных реакторов, что в определенных случаях является важным, например для контроля за нераспространением ядерного оружия.

Также, например, уже были первые эксперименты с модулированным нейтринным сигналом, позволяющим передавать информацию с очень большой скоростью, практически приближенной к скорости света. Нейтрино движутся гораздо быстрее, чем информация по оптоволоконному кабелю. Поэтому, если надо передавать информацию, например, с фондовой биржи, можно было бы использовать генератор нейтрино и детектор.

Сейчас основной работой Измайлова и Шайхиева является разработка новых нейтринных детекторов для будущих экспериментов. Детектор, разрабатываемый в ИЯИ РАН для экспериментов Т2К-Hyper-Kamiokande и, возможно, DUNE представляет собой параллелепипед, собранный из 2 млн кубиков пластикового сцинтиллятора, материала, похожего на оргстекло, с ребром 1 см. Каждый кубик имеет отверстия для трех оптоволокон для светосбора. Такой высокосегментированный детектор позволит с очень высокой точностью изучать нейтринные взаимодействия. Однако его создание связано с существенными техническими сложностями, так как нигде ранее такая модель, концепция, не использовалась. Кубики с дырочками ученые заказывают во Владимире, потом собирают детектор, что занимает несколько месяцев, и самолетом отправят его в Японию.

Таким образом, вопросов вокруг нейтрино сейчас больше, чем ответов на них, и ореол загадочности вокруг нейтрино сохраняется, давая стимул молодым ученым продолжать исследования в этой области. Александр Измайлов убежден, что именно исследования нейтрино будут на острие «большой физики» в ближайшие десятилетия.

Полина Юдина