Осцилляции нейтрино представляют собой квантовый эффект, при котором собственные состояния массы не совпадают с состояниями лептонных ароматов. В результате нейтрино, рождающееся как электронное, мюонное или тау-нейтрино, при распространении в пространстве с определённой энергией и на определённом расстоянии может переходить в другой аромат. Данное явление уже подтверждено многими экспериментами, однако дальнейшее его исследование требует более точных измерений параметров смешивания, проверки наличия возможных стерильных нейтрино и поиска CP-нарушения в лептонном секторе.
Развитие экспериментальной базы в области нейтринной физики идёт по двум направлениям: эксперименты с ускорителями, где контролируемые пучки нейтрино создаются при распадах мезонов, и неускорительные эксперименты, использующие реакторные нейтрино, атмосферные потоки или астрофизические источники. В данной главе рассматриваются наиболее значимые современные установки, а также проекты, находящиеся на стадии строительства или планирования.
Ключевым направлением являются эксперименты с нейтринными пучками, направляемыми на детекторы, расположенные на расстоянии сотен или тысяч километров от источника. Именно такие условия позволяют изучать переходы между ароматами с высокой точностью.
T2K (Tokai to Kamioka, Япония) Пучок мюонных нейтрино генерируется в ускорительном комплексе J-PARC в Токай и направляется на детектор Super-Kamiokande, расположенный на расстоянии 295 км. Основная цель эксперимента – измерение угла θ₁₃ и поиск признаков CP-нарушения. Уже получены первые результаты, свидетельствующие о возможной асимметрии между нейтрино и антинейтрино в вероятностях осцилляций.
NOνA (США) Эксперимент использует пучок из ускорителя Fermilab, направленный на детектор в штате Миннесота, удалённый на 810 км. NOνA позволяет изучать не только параметры смешивания, но и вопрос о порядке масс нейтрино (нормальная или инвертированная иерархия). Совокупность данных с NOνA и T2K уже дала серьёзные ограничения на возможные значения δCP.
DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment, США, строится) Один из наиболее амбициозных проектов ближайшего будущего. Пучок высокой интенсивности создаётся на Fermilab и направляется на детектор в Южной Дакоте, находящийся на расстоянии 1300 км. Детектор будет представлять собой жидкосцинтилляционные криогенные камеры на основе жидкого аргона, что позволит достичь высочайшей чувствительности к редким процессам. DUNE нацелен на:
Реакторные установки обеспечивают поток электронных антинейтрино с энергиями до нескольких МэВ. Такие источники идеально подходят для точного измерения углов смешивания.
Daya Bay (Китай) Один из наиболее успешных экспериментов по измерению параметра θ₁₃. В результате многолетних наблюдений получено наиболее точное значение этого угла.
RENO (Корея) и Double Chooz (Франция) Подтвердили результаты Daya Bay, что позволило окончательно установить ненулевое значение θ₁₃.
JUNO (China, строится) Гигантский детектор на жидком сцинтилляторе объёмом ~20 килотонн. Главная задача – различить порядок масс нейтрино через анализ тонкой структуры энергетического спектра реакторных антинейтрино. JUNO также будет обладать высокой чувствительностью к солнечным нейтрино и нейтрино от астрофизических источников.
Атмосферные нейтрино, образующиеся при взаимодействии космических лучей с верхними слоями атмосферы, представляют собой мощный инструмент изучения осцилляций на широком диапазоне энергий и расстояний.
Super-Kamiokande (Япония) Исторически сыграл ключевую роль в открытии атмосферных осцилляций. Продолжает работать, обеспечивая данные о взаимодействиях нейтрино с энергиями от сотен МэВ до десятков ГеВ.
IceCube (Антарктида) Гигантский черенковский детектор в антарктическом льду. Его основная задача – исследование высокоэнергичных астрофизических нейтрино, однако IceCube также фиксирует атмосферные потоки, что позволяет проверять параметры осцилляций в энергетической области выше традиционных экспериментов.
KM3NeT (Средиземное море, строится) Европейский аналог IceCube, размещённый в воде. Проект позволит не только изучать астрофизические нейтрино, но и проводить исследования в области фундаментальной физики осцилляций.
Одним из наиболее обсуждаемых направлений остаётся гипотеза о существовании стерильных нейтрино — частиц, не участвующих в слабом взаимодействии. Их проявление возможно через аномальные осцилляции на коротких расстояниях.
LSND и MiniBooNE (США) Ранее зафиксировали аномальные события, которые не укладывались в стандартную трёхнейтринную схему. Эти данные стали стимулом для множества новых экспериментов.
MicroBooNE (Fermilab, США) Детектор на жидком аргоне, предназначенный для проверки аномалий MiniBooNE. Недавние результаты показали отсутствие ожидаемого сигнала, что значительно сузило пространство возможных параметров для стерильных нейтрино.
STEREO (Франция), NEOS (Корея), PROSPECT (США) Используют компактные реакторные источники антинейтрино для проверки возможных осцилляций на расстояниях порядка десятков метров. Эти эксперименты также не выявили убедительных признаков стерильных нейтрино.
Будущие исследования будут сосредоточены на:
Ожидается, что совокупность данных от DUNE, JUNO, Hyper-Kamiokande и KM3NeT в течение ближайших десятилетий сформирует полный и детализированный портрет нейтринной сектора физики элементарных частиц.