Эксперименты с нейтрино

В экспериментах с нейтрино используется несколько типов источников:

  • Реакторные нейтрино: генерируются в результате β-распада продуктов деления ядерного топлива. Основной интерес представляют электронные антинейтрино с энергиями до нескольких МэВ.
  • Атмосферные нейтрино: возникают при взаимодействии космических лучей с атомами верхних слоёв атмосферы. Представляют собой смесь нейтрино всех трёх ароматов в широком диапазоне энергий (от сотен МэВ до ТэВ).
  • Солнечные нейтрино: образуются в термоядерных реакциях внутри Солнца, в первую очередь — в p–p-цепи и цикле CNO.
  • Пучки ускорительных нейтрино: создаются при торможении высокоэнергетичных протонов в мишени, что ведёт к образованию π- и K-мезонов, которые далее распадаются на мюонные нейтрино.
  • Геонейтрино и нейтрино сверхвысоких энергий: фиксируются в отдельных специализированных экспериментах, например, Borexino и IceCube.

Методы регистрации нейтрино

Из-за исключительно малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом, для их детектирования используются крупные объёмы материала и специфические технологии:

  • Черенковские детекторы: при прохождении заряжанных частиц, порождённых нейтрино, со скоростью, превышающей фазовую скорость света в среде, возникает черенковское излучение. Оно фиксируется фотомножителями. Примеры: Super-Kamiokande, IceCube.

  • Сцинтилляционные детекторы: при взаимодействии нейтрино с веществом возникает свечение, детектируемое фотосенсорами. Например: KamLAND, Borexino.

  • Газовые и калориметрические установки: применяются в экспериментах с ускорительными пучками, где отслеживается энергия вторичных частиц. Используются в MINERvA, NOvA, DUNE.

  • Радиохимические методы: основаны на накоплении продуктов реакции (например, ${}^{37}$Ar или ${}^{71}$Ge) и последующем их извлечении и измерении. Пример — GALLEX.

Ключевые эксперименты и открытия

Детектирование нейтрино из реакторов

Реин и Коуэн (1956): первое экспериментальное подтверждение существования нейтрино. Был использован реактор Savannah River. Антинейтрино взаимодействовали с протонами по схеме:

ν̄e + p → e+ + n

Позитион аннигилировал, а нейтрон захватывался ядром кадмия, давая две последовательные вспышки в сцинтилляторе.

Солнечные нейтрино и проблема дефицита

Эксперимент Хоумстейк (Davis, 1960-е): использовался радиохимический метод на основе перхлорэтилена. Полученный поток электронных нейтрино был в три раза меньше теоретически предсказанного. Это породило “проблему солнечных нейтрино”.

Позднее эта проблема была решена благодаря открытию осцилляций нейтрино, подтверждённых рядом других экспериментов, включая SNO (Канада), который измерил не только электронные, но и суммарный поток всех ароматов нейтрино.

Атмосферные нейтрино и осцилляции

Super-Kamiokande (Япония): огромный водный черенковский детектор, показавший анизотропию распределения атмосферных нейтрино в зависимости от зенитного угла. Были обнаружены различия во флюенсе нейтрино, приходящих сверху и снизу (т.е. прошедших через Землю). Это дало убедительное свидетельство осцилляций нейтрино типа:

νμ → ντ

Эксперименты с ускорительными пучками

  • K2K (KEK → Kamioka): первый долгобазовый эксперимент, подтвердивший осцилляции мюонных нейтрино при прохождении 250 км.
  • MINOS, NOvA (США): уточняют параметры осцилляций, изучают возможное нарушение CP-инвариантности.
  • T2K (Япония): показал прямое появление электронных нейтрино из мюонных, что критично для проверки параметра δ в матрице PMNS.
  • DUNE (строится, США): направлен на точное измерение углов смешивания, иерархии масс и поиск CP-нарушения в лептонном секторе.

Результаты и параметры осцилляций

На данный момент определены следующие параметры:

  • Δm²21 ≈ 7.5×10⁻⁵ эВ² (солнечные осцилляции)
  • |Δm²31| ≈ 2.5×10⁻³ эВ² (атмосферные осцилляции)
  • Углы смешивания: θ₁₂ ≈ 33°, θ₂₃ ≈ 45°, θ₁₃ ≈ 8.5°

Эксперименты также ограничивают возможное нарушение CP-инвариантности в лептонном секторе через фазу δ в PMNS-матрице. Появление асимметрии между вероятностями перехода:

P(νμ → νe) ≠ P(ν̄μ → ν̄e)

уже наблюдается с низкой статистикой в T2K и NOvA.

Роль тяжёлых нейтрино и стерильных состояний

Несмотря на успех трёхароматной модели, наблюдаются аномалии (LSND, MiniBooNE), которые могут свидетельствовать о наличии стерильных нейтрино — частиц, не взаимодействующих слабым образом, но способных участвовать в осцилляциях.

Новые эксперименты, такие как MicroBooNE, ICARUS, SOX, PROSPECT, STEREO, направлены на проверку этих гипотез. До настоящего времени убедительных доказательств в пользу стерильных нейтрино не получено.

Космологические и астрофизические нейтрино

Нейтрино от сверхновых

В 1987 году были впервые зарегистрированы нейтрино от вспышки сверхновой SN1987A тремя независимыми детекторами (Kamiokande, IMB, Baksan). Это подтвердило теоретические модели гравитационного коллапса и выделения нейтрино, несущих ~99% энергии взрыва.

IceCube и нейтрино сверхвысоких энергий

На Южном полюсе действует детектор IceCube, расположенный в глубинах антарктического льда. Он фиксирует нейтрино с энергиями до нескольких ПэВ. Зафиксированы космические нейтрино неизвестного происхождения, открывающие новое окно в высокоэнергетическую нейтринную астрономию.

Радиоактивные нейтрино и двойной бета-распад

Геонейтрино

Излучаются при β-распаде изотопов U и Th в земной коре и мантии. Изучение их потоков даёт информацию о тепловом балансе Земли. Их регистрацию осуществляет, например, Borexino.

Двойной бета-распад без нейтрино

Поиск безнейтринного двойного бета-распада (${0}$) важен для выяснения природы нейтрино (мажорана или дирка), а также абсолютного масштаба масс. Ведущие эксперименты:

  • GERDA (использует ${}^{76}$Ge)
  • CUORE (${^{130}}$Te)
  • nEXO (${^{136}}$Xe)

Обнаружение такого распада означало бы нарушение закона сохранения лептонного числа.

Будущее нейтринной физики

Развитие нейтринной физики идёт в направлении:

  • Построения мегадетекторов (Hyper-Kamiokande, DUNE).
  • Точного измерения фазы CP-нарушения.
  • Проверки иерархии масс (нормальной или инверсной).
  • Поиска стерильных нейтрино.
  • Определения природы нейтрино: мажорановская или дираковская частица.
  • Космологических ограничений на сумму масс нейтрино.

Эксперименты с нейтрино остаются важнейшим направлением в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии, играя ключевую роль в понимании фундаментальных свойств материи, структуры Вселенной и происхождения асимметрии между веществом и антивеществом.

Оглавление