Загадка нейтрино: семьдесят лет спустя (продолжение)
Нейтрино — самые лёгкие и неуловимые из известных частиц материи, не несущие электрического заряда, и типичное нейтрино может преодолеть световой год твёрдого свинца, прежде чем вступить в взаимодействие. Только Солнце каждую секунду проносит через наши тела сто триллионов таких частиц. Ещё более удивительно, что они бывают трёх типов, и нейтрино, родившееся в одном виде, может появиться в другом. Решающее доказательство этого изменения формы, известного как «осцилляция», было получено в 1998 году в ходе эксперимента Super-Kamiokande в Японии. Осцилляция возможна только в том случае, если нейтрино обладают массой, чего не предвидела Стандартная модель физики элементарных частиц.
Однако многое о них остаётся неизвестным. Каков порядок их трёх масс? Колеблются ли нейтрино и антинейтрино по-разному? Существуют ли дополнительные, ещё не обнаруженные, состояния нейтрино? Ответы на эти вопросы выходят далеко за пределы лаборатории. Например, нейтрино, оставшиеся после Большого взрыва, до сих пор заполняют космос, и их крошечные массы повлияли на то, как материя собиралась в галактики.
Эксперименты по всему миру изучают эти вопросы. Один из новейших — эксперимент JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory) в Кайпине, Китай, который отслеживает антинейтрино из реакторов, как это делали Коуэн и Рейнс 70 лет назад. Другие эксперименты используют ускорители частиц для запуска нейтрино в направлении детекторов, расположенных в нескольких сотнях километров, фиксируя их изменение типа при пересечении земной коры.
ЦЕРН помогает создавать и тестировать оборудование для следующего поколения этих «длиннобазовых» экспериментов, включая прототипы и криостаты для DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), который будет отправлять нейтрино на расстояние 1300 км через США, а также модернизацию детекторов для Hyper-Kamiokande, питаемых пучком, проходящим на расстояние 295 км через Японию. Однако, чтобы извлечь максимальную пользу из этих экспериментов, физикам необходимо как можно точнее понять свойства образующихся пучков нейтрино. Пучки нейтрино обычно образуются при столкновении протонов с мишенью, что приводит к выбросу множества короткоживущих частиц, распадающихся с образованием нейтрино. Поскольку детали этих распадов остаются ненаблюдаемыми, свойства образующихся пучков трудно точно определить.
Бруно Понтекорво
Бруно Понтекорво предложил решение в 1979 году. Каждый распад дает нейтрино и заряженную частицу, обычно мюон. Измеряя родительский нейтрино в полете и образовавшийся мюон, и применяя только законы сохранения, физики могут определить энергию и импульс нейтрино и сопоставить их с взаимодействием, наблюдаемым дальше по пучку. Этот метод известен как «мечение нейтрино».
На практике это означает отслеживание миллиардов частиц каждую секунду. Эксперимент NA62 в ЦЕРНе, созданный для изучения некоторых из самых редких распадов каонов, проанализировал данные, собранные в 2022 году, и сопоставил нейтрино с его родительским распадом, определив его энергию с рекордной точностью в 0,3%. Сейчас физики изучают, могут ли целые меченые пучки внести свой вклад в следующий скачок в точности экспериментов с большой базой.
Установка NA62 в ЦЕРНе