Эксперименты с нейтрино

Экспериментальные исследования нейтрино опираются на различные источники этих слабо взаимодействующих частиц. Основные типы:

  • Солнечные нейтрино — образуются в термоядерных реакциях в недрах Солнца. Их спектр энергетически ограничен несколькими МэВ.
  • Атмосферные нейтрино — возникают при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли. Имеют более широкий энергетический спектр, до тераэлектронвольтных значений.
  • Реакторные нейтрино — результат β-распада продуктов деления в ядерных реакторах. Эти нейтрино имеют низкие энергии (обычно до 10 МэВ).
  • Акцелераторные нейтрино — синтезируются на ускорителях при распаде мезонов (π, K), возникающих при столкновении пучков протонов с мишенью.
  • Космологические и астрофизические нейтрино — высокоэнергетические частицы, порождаемые экстремальными процессами (взрывы сверхновых, слияния нейтронных звёзд и пр.).

Каждый из этих источников требует специфического метода регистрации и анализа данных, определяя архитектуру детекторов и методологию экспериментов.

Ранние эксперименты и открытие нейтрино

Первое экспериментальное подтверждение существования нейтрино было достигнуто в 1956 году Коуэном и Райнсом с использованием нейтрино от ядерного реактора. Взаимодействие:

ν̄e + p → n + e+

фиксировалось через совпадение гамма-квантов, испускаемых при аннигиляции позитрона и захвате нейтрона ядром. Это стало основой для всей последующей нейтринной экспериментальной техники.

Солнечные нейтрино: дефицит и осцилляции

Эксперименты, начиная с Homestake (Рэймонд Дэвис, 1960-е), показали, что количество наблюдаемых электронных нейтрино с Солнца примерно в три раза меньше, чем предсказывается моделями солнечного термоядерного синтеза. Это несоответствие дало начало так называемой проблеме солнечных нейтрино.

Современные эксперименты, такие как Super-Kamiokande и SNO, подтвердили, что нейтрино меняют свой тип (вкус) по мере распространения — явление нейтринных осцилляций, которое требует ненулевой массы нейтрино и нарушения лептонной численности по поколениям.

SNO впервые различил все три типа нейтрино (через нейтронное рассеяние на дейтерии), что подтвердило сохранение общего потока нейтрино, но изменение состава по типам.

Атмосферные нейтрино и подтверждение осцилляций

Super-Kamiokande в Японии дал решающее подтверждение нейтринных осцилляций, исследуя атмосферные нейтрино. Было показано, что число наблюдаемых мюонных нейтрино зависит от угла зенита:

  • Нейтрино, пришедшие “сверху”, детектируются чаще, чем те, что прошли через Землю — что указывает на вероятность перехода νμ → ντ на больших расстояниях.

Измерения зависимости дефицита от длины пролёта и энергии соответствуют предсказаниям двухнейтринной осцилляционной модели:

$$ P(\nu_\mu \rightarrow \nu_\mu) = 1 - \sin^2(2\theta) \sin^2\left( \frac{1.27 \Delta m^2 [\text{eV}^2] L [\text{km}]}{E [\text{GeV}]} \right) $$

где Δm2 — разность квадратов масс, L — расстояние пролёта, E — энергия нейтрино.

Реакторные эксперименты: доказательство осцилляций ν̄e

Ключевыми экспериментами стали KamLAND (Япония) и позднее Daya Bay, RENO и Double Chooz. Они измеряют исчезновение антинейтрино от ядерных реакторов на расстояниях порядка 1–2 км. Особенно важен эксперимент Daya Bay, определивший третий угол нейтринного смешивания θ13 с высокой точностью:

sin22θ13 ≈ 0.09

Эти результаты критически важны для будущих исследований CP-нарушения в лептонном секторе.

Акселераторные нейтрино: длиннобазовые эксперименты

Системы типа T2K (Япония) и NOvA (США) создают нейтринные пучки, которые направляются на детекторы, расположенные на сотни километров от источника. Цель — измерить вероятность перехода между вкусами, особенно νμ → νe, что чувствительно к фазе CP-нарушения δCP.

T2K зарегистрировал значимое число появлений электронных нейтрино в мюонном пучке, давая ограничения на фазу δCP, указывающие на возможность существенного нарушения CP-симметрии в лептонном секторе.

Будущий проект DUNE (США) будет иметь базу 1300 км и использовать высокоинтенсивный пучок, генерируемый в Fermilab и направленный на детекторы в Южной Дакоте. Он предназначен для точного измерения δCP, порядка массы нейтрино и иерархии масс.

Масса нейтрино и эксперименты по бета-распаду

Хотя осцилляционные эксперименты чувствительны к разности квадратов масс, они не дают абсолютных значений масс нейтрино. Для этого применяются:

  • Спектрометрические методы — в частности, эксперимент KATRIN, исследующий форму энергетического спектра электронов в β-распаде трития:

3H→3He + e− + ν̄e

KATRIN поставил предел на эффективную массу электронного нейтрино:

mβ < 0.8 эВ  (90% ДИ)

  • Космологические ограничения — данные по структуре Вселенной и анизотропии реликтового излучения дают ограничение на сумму масс нейтрино: ∑mν < 0.12 эВ

Нейтрино двойного бета-распада

Особый интерес вызывает безнейтринный двойной бета-распад (0νββ):

(Z, A) → (Z + 2, A) + 2e−

Этот процесс возможен только в том случае, если нейтрино — майорановская частица (тождественна своей античастице) и имеет массу. Его наблюдение доказало бы нарушение закона сохранения лептонного числа и дало прямой доступ к масштабу абсолютной массы нейтрино.

Эксперименты: GERDA, CUORE, EXO, LEGEND и др. Совремний лимит на эффективную майорановскую массу нейтрино — порядка 0.1–0.2 эВ.

Космические нейтрино и эксперименты высокой энергии

Эксперимент IceCube в Антарктиде детектирует нейтрино высоких энергий (до ПэВ) через черенковское излучение мюонов и ливней в кубокилометровом объёме льда. Он зарегистрировал нейтрино, предположительно космологического происхождения, что подтверждает существование астрофизических источников нейтрино.

Идёт разработка следующих фаз — IceCube-Gen2, Baikal-GVD, KM3NeT в Средиземном море — для расширения чувствительности в области сверхвысоких энергий.

Поиск стерильных нейтрино

Ряд аномалий (например, LSND, MiniBooNE, “реакторная аномалия”) предполагает существование дополнительных нейтрино, не взаимодействующих с другими частицами — стерильных нейтрино. Это привело к запуску специализированных короткобазовых экспериментов:

  • MicroBooNE, ICARUS, SBND (в рамках программы SBN в Fermilab)
  • NEOS, DANSS, PROSPECT — ищут исчезновение ν̄e на малых расстояниях от компактных ядерных источников.

Пока ни один из экспериментов не дал однозначного подтверждения существования стерильных нейтрино, но область параметров активно исследуется.

Развитие технологий детектирования

Современные нейтринные эксперименты опираются на разнообразные технологии:

  • Водные черенковские детекторы (Super-Kamiokande)
  • Сцинтилляционные детекторы (Borexino, JUNO)
  • Жидкокамерные TPC (Time Projection Chambers) — с аргоном или ксеноном (DUNE, ICARUS)
  • Радиохимические методы (SAGE, GALLEX)
  • Болометрические установки (CUORE)

Новые технологии, включая оптические сенсоры высокого разрешения, жидкие сцинтилляторы с возможностью разделения сигнала, а также квантовые методы (например, детектирование реликтовых нейтрино), открывают перспективы более точного анализа всех аспектов нейтринной физики.

Оглавление