В середине октября на территории японского протонно-ускорительного комплекса J-PARC специалистами Института ядерных исследований РАН был установлен и запущен сегментированный 3D нейтринный детектор SuperFGD — результат совместной работы ученых и инженеров России, Японии, Франции, Испании, Швейцарии и США.
SuperFGD — это активная мишень, состоящая из примерно двух миллионов сцинтилляционных полистирольных кубиков 1 общими размерами 2 × 2 × 0,6 м, пронизанных оптическими волокнами во всех трех пространственных направлениях с шагом в 1 см. Благодаря своей геометрии SuperFGD обладает способностью регистрировать электроны, мюоны, протоны и нейтроны в полном телесном угле, что может быть полезно при восстановлении информации об энергии изучаемых нейтрино и антинейтрино. Эта установка выступает в качестве одного из центральных элементов комплекса детектирования нейтрино в экспериментах Т2К (Tokai-to-Kamioka, t2k-experiment.org) и должна также сыграть ключевую роль в поисках нарушения комбинированной четности (СР-симметрии), т. е. неинвариантности физических законов относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы, в лептонном секторе Стандартной модели в проекте Гипер-Камиоканде (Кamiokande — Кamioka Nucleon Decay Experiment) и других исследованиях. Тесты сцинтилляторов и прототипов SuperFGD 2, проходившие в европейском ЦЕРНе и в американской Лос-Аламосской национальной лаборатории, уже показали обнадеживающие результаты. Систематические измерения с детектором SuperFGD на нейтринном пучке Т2К должны начаться в ноябре этого года, а начало сбора научных данных по проекту Гипер-Камиоканде — в 2027 году.
SuperFGD разработана в отделе физики высоких энергий ИЯИ РАН, проект реализован российскими учеными под руководством профессора Юрия Куденко, докт. физ.-мат. наук, гл. науч. сотр., зав. лабораторией физики электрослабых взаимодействий ИЯИ РАН. В создании детектора принимали участие сотрудники ОИЯИ и ФИАН, а также студенты и аспиранты МИФИ и МФТИ. Важные элементы SuperFGD — миниатюрные оптически изолированные сцинтилляторы — были спроектированы и изготовлены российской компанией ООО «Унипласт». Финансовую поддержку российских участников осуществляли Минобрнауки, фонды РНФ и РФФИ.
T2K — это международная нейтринная коллаборация, в которой участвуют около 500 ученых из более чем 60 исследовательских учреждений 12 стран Европы, Азии и Северной Америки, она нацелена на продолжение изучения процессов осцилляций нейтрино — квантовомеханического явления, при котором движущиеся с околосветовыми скоростями нейтрино меняют свой тип, «аромат» (или флейвор, от англ. flavour), взаимопревращаясь в электронные, мюонные и тау-нейтрино (νe, νμ, ντ). Искусственные нейтрино, участвующие в этом эксперименте, производятся в процессе работы синхротрона — протонного ускорителя частиц, находящегося на востоке Японии, в поселке Токай (в 120 км к северу от Токио), в ускорительном комплексе J-PARC, а нейтринная обсерватория Камиока (занимающаяся также регистрацией нейтрино из естественных источников) располагается около города Хида (тот же центральный японский остров Хонсю) в горном массиве в Японских Альпах, в подземной выработке в 295 км северо-западнее Токио — на расстоянии, соответствующем первому максимуму нейтринных осцилляций.
Идея подобных экспериментов, которые собственно и привели к однозначному подтверждению нейтринных осцилляций (предположения о которых возникли в связи с наблюдаемым дефицитом солнечных нейтрино) — это изучение искусственных нейтрино, рождающихся в удаленных от места регистрации ускорителях или ядерных реакторах с известными параметрами. Свойства и состав первоначального потока нейтрино до возможных осцилляций изучаются системой ближних детекторов, расположенных в 280 м от места производства пучка на площадке J-PARC, а затем — в удаленном гигантском детекторе.
Гипотеза об осцилляциях нейтрино выдвинута в 1957 году работавшим в СССР итальянским физиком Бруно Понтекорво (1913–1993). Нейтрино определенного «аромата» от ускорителей или ядерных реакторов точно так же «исчезают» на пути к детектору, как и на пути к Земле от Солнца, превращаясь в нейтрино другого типа. Эти результаты одновременно свидетельствуют в пользу того, что все нейтрино обладают массой, поскольку частица нулевой массы типа фотона в пути просто не может меняться (у нее, движущейся со световой скоростью, на это просто нет времени). Смешивание «ароматов» нейтрино и антинейтрино от ускорителей и реакторов к тому же позволяет накладывать более строгие ограничения на их параметры смешивания (разность квадратов масс и углы смешивания), чем в экспериментах с солнечными и атмосферными нейтрино.
Нейтрино — электрически нейтральная частица со спином 1/2, т. е. относится к фермионам, принадлежит при этом к классу лептонов, частиц, не участвующих в сильном взаимодействии. При взаимодействии с другими частицами через заряженный ток нейтрино превращаются в соответствующий заряженный лептон (электрон, мюон, тау-лептон). Левые нейтрино, т. е. имеющие спиральность –1/2, превращаются в отрицательные лептоны (правые соответственно оказываются античастицами к левым нейтрино). Иной разницы в поведении антинейтрино по сравнению с нейтрино в ходе экспериментов обнаружить пока не удается: возможные нарушения так называемых CP- и CPT-четностей — т. е. инвариантных зеркальных «отражений» относительно заряда, смены одной из пространственных и временной координат на противоположные — пока еще слишком ничтожны для современных установок.
Сложности на этом пути создает и то, что нейтрино почти не взаимодействуют с другим веществом — могут беспрепятственно пронзить стену, простирающуюся от Земли до Луны.
По словам Юрия Куденко, нарушение СР-симметрии в нейтринных осцилляциях, или, другими словами, СР-нарушения в лептонном секторе Стандартной модели, означает, что осцилляции нейтрино отличаются от осцилляций антинейтрино, и в случае обнаружения нового источника СР-нарушения, возникают новые возможности для объяснению одной из загадок природы — барионной асимметрии Вселенной. Измерение СР нечетной фазы в случае обнаружения нарушения СР-инвариантности, а также прецизионное измерение углов смешивания нейтрино являются важным этапом на пути к разгадке неизвестной симметрии, которая лежит в основе смешивания нейтрино, кардинально отличающегося от смешивания кварков. Первое указание на СР-нарушение в лептонном секторе было получено в эксперименте Т2К, который обнаружил, что наиболее вероятным значением является значение СР нечетной фазы ≈ –π/2. Этот неожиданный результат соответствует максимальному СР-нарушению в нейтринных осцилляциях. Гипотеза СР-сохранения (δ = 0 или π) была исключена на уровне 90% доверительной вероятности.
Сейчас проводится модернизация ближнего детектора ND280 для второй фазы эксперимента Т2К, основной целью которого является повышение чувствительности к СР нечетному эффекту в нейтринных осцилляциях. После модернизации детектор SuperFGD будет центральной активной мишенью комплекса ближних нейтринных детекторов эксперимента Т2К, а затем станет играть ключевую роль в проекте Гипер-Камиоканде. Детектор Гипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande, Hyper-K, или просто HK) наследует целой цепочке схожих по замыслу японских экспериментов 3, связанных с нейтрино и нейтринными осцилляциями, которые уже отмечены самыми престижными (и дорогими в денежном отношении) наградами по физике, в частности, Нобелевской премией 2015 года, врученной за открытие нейтринных осцилляций канадскому физику Артуру Макдональду и профессору Токийского университета Такааки Кадзита 4, работавшему как раз с Супер-Камиоканде. Также следует отметить, что участники экспериментов Супер-Камиоканде, К2К и Т2К получили в 2016 году премию «За прорыв в фундаментальной физике» (Breakthrough Prize for Fundamental Physics) за открытие и исследование нейтринных осцилляций 5.
Проект Гипер-Камиоканде развивается с 2010 года как преемник Супер-Камиоканде и вошел в число 28 самых приоритетных проектов японского правительства. Резервуар для Гипер-Камиоканде, представляющий собой цилиндр высотой 71 м и диаметром 68 м, размещенный под землей на глубине около 850 м, заполнен специально очищенной от мельчайших радиоактивных примесей водой массой 260 млн литров. По своему объему этот детектор более чем в пять раз превысит объем Супер-Камиоканде.
Одна из затаенных надежд, связанных с Гипер-Камиоканде (а до этого — с его предшественником Супер-Камиоканде, построенным в 1995 году и неоднократно модернизировавшимся), — гипотетическая возможность наблюдений распада протона, в результате чего могли бы образовываться более легкие субатомные частицы — нейтральный пи-мезон и позитрон (p+ → e+ + π0) либо нейтрино и положительный K-мезон (p+ → ν + K+). Это до сих пор не наблюдавшееся явление (к тому же исключаемое современным изводом Стандартной модели физики элементарных частиц) может иметь величайший интерес в связи с перспективами различных теорий Великого объединения, однако пока удавалось лишь получать всё более и более строгие ограничения на реальность подобных процессов. Катализировать распад протонов могли бы, в частности, и пока еще никем не обнаруженные гипотетические магнитные монополи (соответствующую возможность впервые описал академик РАН, гл. науч.сотр. ИЯИ РАН Валерий Рубаков).
Также некоторые нейтрино, зарегистрированные в Гипер-Камиоканде, гипотетически могут дать «подписи» темного вещества — если его чрезвычайно слабовзаимодействующие между собой и с обычным барионным веществом частицы всё же иногда сталкиваются и взаимоуничтожаются в ходе аннигиляционных распадов. Эти события должны быть видны в 3D-данных детектора как преобладание нейтрино со стороны крупнейших гравитационных объектов — таких, как наш галактический центр, Солнце или Земля, — над изотропным фоном атмосферных нейтрино.
Максим Борисов
Фото Института ядерных исследований РАН
(4 оценок, среднее: 4,00 из 5)
Загрузка...