Лауреаты конкурса «Свободный полёт - 2013»

    О фонде  Конкурс Свободный полёт  Конкурс творческих идей  Собрание конкурсных работ  Физика  Математика  Это интересно 

Открытие осцилляций нейтрино. Проблема массы нейтрино

Осцилляции нейтрино — это процесс перехода нейтрино одного аромата в нейтрино других ароматов при распространении в пустоте или в веществе. Из существования этого явления должно сразу вытекать существование ненулевой массы нейтрино. Коротко объясним причину существования осцилляций. Во-первых, мы знаем, что электрон может в силу сохранения лептонного заряда переходить только в электронное нейтрино. Однако выясняется, что понятие «электронное нейтрино» не относится к какой-либо реальной частице. Причина этого состоит в том, что у электронного нейтрино нет определенной массы. Вместо этого, нейтрино определенного, «электронного» аромата есть суперпозиция трех частиц, обладающих разными массами:

где  — набор некоторых комплексных коэффициентов. То же самое относится к нейтрино двух других ароматов:

Истинными частицами, таким образом, являются нейтрино с определенной массой . Если, например, внутри Солнца рождаются электронные нейтрино с энергией , то каждое из нейтрино с массами , входящих с смесь, при этой энергии будут иметь разные импульсы, а, значит, и разные волновые числа:

В результате после прохождения расстояния каждая компонента смеси, в начальной точке соответствовавшей электронному нейтрино, накопит различную разность фаз:

Эта смесь уже не является электронным нейтрино, а в общем случае есть смесь электронного, мюонного и тау-нейтрино:

Подпись: 
Рэймонд Дэвис
Вероятности обнаружить нейтрино определенного аромата на расстоянии от точки рождения электронного нейтрино равны квадратам модулей коэффициентов и имеют осциллирующий характер. Другими словами, на пути от Солнца к Земле электронные нейтрино периодически превращаются в нейтрино других типов — поэтому этот процесс называется осцилляциями (колебаниями).

Несмотря на математизированное введение в осцилляции, этот эффект имеет природу, аналогичную магнитооптическому эффекту Фарадея: два фотона одной частоты с разными циркулярными поляризациями имеют в замагниченной среде различные волновые числа, поэтому линейно поляризованная волна, являющаяся суммой двух циркулярно поляризованных, при распространении в такой среде постепенно меняет свою поляризацию. В случае нейтрино циркулярно поляризованным фотонам соответствуют массовые состояния нейтрино, а линейно поляризованным — состояния с определенным ароматом. Единственное отличие от фотонов заключается в наличии трех, а не двух таких состояний поляризации.

Представление об осцилляциях возникло в связи с проблемой солнечных нейтрино: согласно теории Солнца, от него должно приходить на Землю в несколько раз больше электронных нейтрино, чем это наблюдалось. Первый эксперимент, обнаруживший дефицит нейтрино, был поставлен в конце 1960-х годов Рэймондом Дэвисом (1914–2006) и Джоном Норрисом Баакаллом (1934–2005). В этом эксперименте емкость с 380000 литрами жидкого тетрахлорэтилена (аналога этилена, ) была опущена в шахту «Хоумстейк» на глубину 5км, чтобы избежать воздействия всех компонент солнечной радиации, кроме нейтрино. Хлор замечателен тем, что его ядро при захвате нейтрино превращается в ядро радиоактивного изотопа аргона:

Полученный после соединения с электроном атом аргона распадался с образованием гелия, количество которого в емкости и измерялось после нескольких месяцев проведения эксперимента. Результаты этих измерений говорили о недостатке нейтрино.

Подпись:

В рамках теории осцилляций проблема солнечных осцилляций разрешалась: на Землю должна была приходить смесь электронных, мюонных и тау-нейтрино, а использовавшаяся в эксперименте схема регистрации частиц откликалась только на электронные нейтрино. Таким образом, эксперимент Дэвиса работал как оптический поляризатор, выделяя из волны нейтрино одну линейную поляризацию (аромат). Первым это предположение высказал Бруно Понтекорво (1913–1993) в 1957 году.

Современные эксперименты по нейтринным осцилляциям наблюдают не только солнечные нейтрино. Изучаются атмосферные нейтрино, рождающиеся при взаимодействии космических лучей с атмосферой, а также нейтрино, рождающиеся на земных реакторах. В отличие от солнечных нейтрино, в данном случае можно четко фиксировать расстояние от точки рождения до точки наблюдения нейтрино. Дело в том, что для солнечных нейтрино длина осцилляций, по прошествии которой нейтрино возвращается в свой аромат, составляет величину порядка 10км (эта длина зависит от энергии частиц). В процессе движения Земли по орбите и вокруг своей оси это расстояние меняется, поэтому чистые осцилляции в случае солнечных нейтрино просто не наблюдаются — они смазываются усреднением по . Ниже изображен график вероятностей обнаружения электронного (черная кривая), мюонного (синяя) и тау-нейтрино (красная) на расстоянии от точки рождения электронного нейтрино. По оси абсцисс отложено отношение расстояния в километрах к энергии нейтрино в гигаэлектронвольтах.

Проблема существования массы нейтрино во многом лежит в теоретической плоскости. Дело в том, что в Стандартной модели деление на электроны и нейтрино происходит в результате нарушения электрослабой симметрии, которое происходит из-за наличия скалярного дублета Хиггса. При этом один из двух лептонов должен стать массивным, а другой — безмассовым. Точно так же, благодаря тому же хиггсовскому дублету, происходит деление электрослабого взаимодействия на слабое и электромагнитное. По этой причине незаряженный лептон должен обладать нулевой массой: и заряд, и масса определяются хиггсовским дублетом. То, что у незаряженного лептона (нейтрино) есть масса, говорит об источниках ее появления, выходящих за пределы Стандартной модели. Различные модели появления этой массы основываются на понятиях о Великом объединении трех взаимодействий, суперсимметрии, техницвете и других современных теоретических концепциях.

<<К предыдущему эксперименту  |  Квантовая теория  |  К следующему эксперименту>>