Как и почему осциллируют нейтрино

В прошлом номере ТрВ-Наука была напечатана статья про эксперименты в Японии по изучению нейтринных осцилляций ¹. Теперь мы публикуем посвященную той же теме беседу с Юрием Куденко, докт. физ.-мат. наук, гл. науч. сотр., зав. отделом физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, который руководит этими исследованиями с российской стороны. Вопросы задавали Борис Штерн и Максим Борисов.

Борис Штерн: Как бы просто объяснить людям, для чего это всё делается, что такое нейтринные осцилляции, что там за физика? Почему и каким образом нейтрино осциллируют? Что за углы смешивания и разница масс? Вот это в двух словах, на пальцах…

— Во-первых, что такое нейтрино. Это очень-очень маленькая частица — наверное, мельчайшая. Стандартная модель четко постулировала: масса нейтрино равна нулю.

И в это верили примерно до 1980–1990-х годов, пока несколько экспериментов не показали довольно неожиданные результаты. Первый — это эксперимент американского ученого Реймонда Дэвиса-младшего, который показал дефицит солнечных нейтрино. Этот эксперимент обсуждался многократно на разных уровнях. Искали ошибки, делали тесты — ничего противопоказанного обнаружено не было, результат подтверждался. Возникло несколько объяснений, одно из них — это осцилляции нейтрино, т. е. переход одного типа нейтрино в другое. Солнце испускает электронные нейтрино, но пока они летят до Земли, переходят в какие-то другие нейтрино. В то время уже знали, что кроме электронного нейтрино есть нейтрино мюонные и тау-нейтрино. Скорее всего, дело в них: эти частицы не могли быть зарегистрированы в том эксперименте. Идея осцилляций была выдвинута Бруно Понтекорво в 1957 году ². В то время было известно только об электронных нейтрино, и Бруно Максимович выдвинул идею осцилляции нейтрино в антинейтрино. Теперь все мы знаем, что эта осцилляция сильно подавлена, но сама идея оказалась исключительно плодотворной, и вот первое объяснение этого эффекта было связано как раз с осцилляцией.

Затем, чтобы проверить сам эксперимент, было сделано еще несколько, в том числе галлиевый эксперимент в нашем ИЯИ РАН. Аналогичный эксперимент проводился в Гран-Сассо ³ в Италии: детектор представлял собой огромную массу галлия — 60–70 тонн, — с которым взаимодействовали нейтрино. Сложным образом результаты этого взаимодействия — атомы германия — извлекались, изучались, и таким образом измерялся поток, или интенсивность солнечных нейтрино. Оба эксперимента — и наш SAGE ⁴, и итальянский GALLEX — подтвердили результат эксперимента Дэвиса.

Первые результаты этих двух экспериментов были обнародованы в начале 1990-х годов. Дэвис начал публикацию результатов в районе 1971–1972 годов, т. е. примерно через двадцать лет пришло еще одно подтверждение. Надо сказать, что детектор, о котором мы будем потом говорить, — его, так сказать, первый вариант — Камиоканде — тоже увидел некий дефицит солнечных нейтрино. И дальше последовал также неожиданный результат — так называемая атмосферная аномалия, когда детектор Супер-Камиоканде подтвердил предыдущие результаты своего эксперимента Камиоканде, увидев уже дефицит атмосферных нейтрино под определенными углами. То есть обнаружились две аномалии — солнечные и атмосферные. Последние также начали хорошо описываться явлением осцилляции.

Б. Ш.: Какие параметры описывают то, как осциллируют нейтрино?

— Собственно, эти два результата и описывают — они были блестяще подтверждены в дальнейшем и заложили основы осцилляционной физики. Какие там параметры? Чтобы нейтрино одного типа перешли в другой — допустим, чтобы электронные перешли в мюонные, а, скажем, мюонные — в случае атмосферных — перешли в тау-нейтрино, — такие частицы должны обязательно обладать массой. Это ключевой момент. Полученные результаты однозначно указывают, что у нейтрино есть масса, и две нобелевские премии по результатам этих экспериментов были присуждены Масатоси Косибе и Реймонду Дэвису, а потом Артуру Макдональду и Такааки Кадзите. У нейтрино есть масса — это первое. Второе: нейтрино могут и не переходить друг в друга, даже если они обладают массой. Но оказалось, что массы этих трех типов нейтрино — электронного, мюонного и тау — близки, и они могут еще и переходить друг в друга, т. е. смешиваться. Таким образом, эти частицы обладают параметрами осцилляций: разностью квадратов масс и углами смешивания.

Б. Ш.: Что бывает в том случае, если угол маленький?

— Они тогда редко, мало переходят в друг друга, если этот угол маленький. Но парадокс заключается в том, что эти углы оказались большими: около 30° или даже 45°. Если говорить про солнечные нейтрино, то их угол составляет примерно 34°, а если про атмосферные — то 45°. Это называется почти максимальное или максимальное смешивание. До сих пор это абсолютно непонято, потому что кварки тоже переходят друг в друга, но углы смешивания там маленькие, а здесь они просто колоссальные. Это фундаментальный эффект, который отличает нейтрино от частиц в кварковом секторе Стандартной модели.

Б. Ш.: Типов нейтрино — три, получается, углов смешивания столько же?

— Да, есть три угла смешивания: это солнечный угол (θ₁₂), атмосферный (θ₂₃) и так называемый реакторный (θ₁₃). Они образуют матрицу 3×3: т. е. у нас есть три массовых состояния и три флейворных. Строится матрица, которая связывает между собой массовые состояния и флейворные, и эти углы входят в эту матрицу, как раз описывая всю физику нейтринных осцилляций в этой матрице. Плюс неизвестный фактор, например CP нечетная фаза или фаза, которая нарушает комбинированную СР-симметрию в нейтринных осцилляциях, но это отдельная история.

Максим Борисов: Как вообще и в какие примерно годы возникла идея сотрудничества с международной коллаборацией в Японии? Как развивалось сотрудничество, насколько успешно оно продвигается сейчас? Какова роль Института ядерных исследований РАН в совместной работе?

— Сотрудничать с Японией мы начали в 1991 году, но начали мы это сотрудничество в области каонной физики. Тогда основная задача экспериментов заключалась в поиске CP- или T-нарушения, т. е. нарушения CP-инвариантности, или T-инвариантности.

CP — это нарушение, или различие в поведении частиц, когда они переходят в античастицы и одновременно переходят в зеркальный мир. Если они ведут себя одинаково при подобных трансформациях, то это означает, что есть CP-инвариантность. Или же их поведение неодинаково в этих ситуациях — тогда это выход на Новую Физику. И одновременно мы знаем, что если CP нарушается, то нарушается и T-инвариантность, потому что существует так называемые фундаментальная CPT-теорема, которая требует сохранения CPT-симметрии во всех физических процессах. Поэтому первые эксперименты в Японии у нас были посвящены поиску CP- или T-нарушений в каонной физике. Эксперименты продолжались примерно десять лет, а затем наше сотрудничество по предложению японских коллег потихоньку трансформировалось в сотрудничество в области нейтринной физики. Здесь я должен отметить заведующего отделом физики высоких энергий ИЯИ РАН — в то время я работал там — академика Владимира Михайловича Лобашёва. Он поддержал нашу работу в Японии, и руководство института очень положительно смотрело на сотрудничество с японскими коллегами. Это было в 1991 году, еще до путча, — тогда я первый раз побывал в Японии.

М. Б.: Какова была ваша роль в экспериментах?

— В первом каонном эксперименте вместе с японцами мы сделали главный детектор — это электромагнитный колориметр, самая дорогая, самая такая ценная часть эксперимента. Затем пошел анализ данных, их полная обработка, и физический результат. После того, как на Супер-Камиоканде произошел взрыв и погибло много фотоумножителей, детектор был остановлен.

Для продолжения изучения осцилляций нейтрино нужно было объединить гораздо больше усилий как для восстановления детектора Супер-Камиоканде, продолжения эксперимента К2К, так и для начала нового эксперимента T2K ⁵. Там, где мы работали (первый ускорительный эксперимент с длинной базой К2К — КЕК-to-Kamioka), пучок от машины (протонного ускорителя с энергией 12 ГэВ) был направлен в детектор Супер-Камиоканде, который находился на расстоянии 250 км от протонного ускорителя в КЕК (Цукуба). В процессе восстановления Супер-Камиоканде произошло много изменений. В этот момент наши японские коллеги предложили руководству нашего института объединить усилия и войти в эксперимент. Одновременно в проект вошло много европейцев: всем стало понятно, что чем сложнее эксперимент, тем труднее с ним управляться. До аварии на Супер-Камиоканде фактически в эксперименте участвовали две страны — Япония и США. После аварии на Супер-Камиоканде российские ученые (наш институт), а также итальянцы, канадцы, французы, швейцарцы объединились, и проект стал большой международной коллаборацией. Это как раз позволило продолжить эксперимент К2K. А затем, когда мы работали в К2K, встал вопрос, что делать дальше. Набор статистики шел, осцилляции подтверждались — это был первый ускорительный эксперимент с длинной базой, который, собственно, и направлен был на подтверждение результата Супер-Камиоканде с атмосферными нейтрино.

М. Б.: Мне кажется, тут нужно для массового читателя объяснить, что установка состоит из разных частей: в одном месте находится ускоритель, а в другом, примерно на том расстоянии, где максимум нейтринных осцилляций, устанавливается основной детектор. Рядом с ускорителем — еще один детектор, который как раз изготовили в ИЯИ РАН…

— Да, здесь речь идет о трех основных элементах эксперимента: пучок нейтрино, рождающийся на ускорителе. Затем ближний детектор, который измеряет свойства, состав и другие параметры нейтрино до осцилляции. Он стоит близко от места рождения нейтрино, несколько сотен метров, и нейтрино не успевают проосциллировать на такой короткой базе — если не брать в расчет стерильные нейтрино. И дальний детектор: расстояние выбирается такое, чтобы настроить энергию нейтрино на осцилляционный максимум. Таким образом, зная соотношение между энергией, базой и разностью квадратов масс нейтрино, надо поймать удачное сочетание, чтобы не промахнуться мимо осцилляцией, но, по счастью, намек был: мы знали из данных Супер-Камиоканде по атмосферным нейтрино, где это примерно должно произойти. Спектр нейтрино покрывает определенную область энергий, есть база, и если вы удачно попали — то увидите осцилляции, а если промахнулись — то деньги на эксперимент потрачены зря.

Это было удачным решением, и мы увидели осцилляции в эксперименте К2K. Но статистика была небольшая, потому что интенсивность 12-ГэВной машины в КЕК была не очень высокой, и энергия в 12 ГэВ мала для того, чтобы получить интенсивный пучок мюонных нейтрино. То есть сечение рождения адронов (в основном пионов) не очень высокое, поэтому возникла идея перейти на более высокие энергии, повысить интенсивность и полностью пересмотреть стратегию нового эксперимента, уже при ясном понимании, что мы хотим дальше делать. В результате был предложен, разработан и запущен новый эксперимент Т2К (Tokai-to-Kamioka), который начал набор статистики в 2010 году. Этот эксперимент использует интенсивный внеосевой пучок мюонных нейтрино (антинейтрино), рожденных на сильноточном 30-ГэВном протонном ускорителе J-PARC и направленных в детектор Супер-Камиоканде, который находится на расстоянии 295 км от J-PARC (Токай).

М. Б.: Детектор Супер-Камиоканде, как я понимаю, размещен в старых выработанных японских шахтах на глубине, а Гипер-Камиоканде, как вы говорили, устанавливается в схожих шахтах, но где-то в другом месте?

— Да. Сейчас у нас функционирует дальний детектор — Супер-Камиоканде с бочкой диаметром около 40 м, высотой примерно с тринадцатиэтажный дом и шириной больше, чем половина футбольного поля, вмещающей 50 килотонн воды. Что до Гипер-Камиоканде, то его масса больше в пять раз — 260 килотонн, но так называемый активный объем за счет некоторых ухищрений будет в восемь раз больше по сравнению с Супер-Камиоканде. Естественно, в пещеру или в ту же шахту такую конструкцию установить нельзя — надо тогда сломать Супер-Камиоканде. Но работа не может простаивать, что и вынудило использовать новую шахту в другом месте. Расстояние между детекторами небольшое — всего 8 км. Они смещены друг относительно друга так, чтобы получить правильное соотношение между базой эксперимента и энергией нейтрино, соответствующее максимуму осцилляций.

Строительство идет так: сначала под землей делается купол, который идет вниз на 70–71 м. Эта часть уже сделана, а вся работа будет закончена, если мне память не изменяет, где-то к концу следующего года. Планируется, что Гипер-Камиоканде начнет работать в 2027 году, а Супер-Камиоканде перестанет функционировать.

М. Б.: В этом эксперименте ваш вклад тоже будет?

— Да, у нас два вклада. Наш ближний детектор называется SuperFGD. Он будет теперь как бы сердцем комплекса ближнего нейтринного детектора эксперимента Т2К. SuperFGD начинает функционировать уже сейчас, он опущен в магнит, установлен, и вот буквально через две недели должен начаться сеанс. Как раз послезавтра я лечу туда, но, к сожалению, ненадолго⁶. Там много наших ребят, да и две девушки-студентки из МИФИ и МФТИ.

А вторая часть нашего вклада — работа над дальним детектором Гипер-Камиоканде. Его резервуар состоит из двух частей (это, собственно, один и тот же объем, поделенный на две части) — так называемый активный внутренний детектор (ID) и внешний черенковский детектор (OD), который служит как вето-детектор, защищая от космических мюонов и от нейтринных взаимодействий в горной породе. Этот детектор мы делаем вместе с английскими коллегами в основном, но сейчас к нам присоединились еще австралийцы с корейцами. Мы работаем вместе с НИИ полимеров им. академика В. А. Каргина в Дзержинске. Они делают замечательные спектросмещающие пластины для OD, которые мы сейчас тестируем. Работа идет полным ходом, это и будет вклад России. Хочу сказать, что кроме нас в проекте участвуют ФИАН и МГУ, которые трудятся над Гипер-Камиоканде, а также студенты Физтеха и МИФИ. К ним также начинают присоединяться студенты из МГУ.

М. Б.: Получается, эта установка была сделана в России, потом перевезена в Японию, а собирали ее ваши сотрудники…

— Верно, она делалась в России. Вообще, в коллаборацию SuperFGD входят около ста человек, из них человек тридцать — российские участники, представленные нашим институтом, ФИАНом и ОИЯИ. Последний отличился очень хорошими инженерными и экспериментальными разработками. Детектор делался здесь, мы начали эту работу в 2017 году. Идея изготовления элементов детектора отрабатывалась во Владимире, на замечательном небольшом предприятии «Унипласт» на базе химического института. Мы уже делали с ними много детекторов. Для СуперFGD была разработана технология изготовления маленьких кубиков — сегментов детектора в 1 см³ с тремя ортогональными отверстиями, в которые входят оптические волокна. Мы где-то два года работали над этой технологией. Японцы тоже пытались немножко разработать свою технологию, были попытки в Европе, но как-то ни у кого не пошло, а если и пошло, то цены оказались там какие-то чудовищные, неподъемные… В общем, мы взяли это на себя — это было обязательство нашего института — сделать всю активную часть детектора, механику и много-много вещей.

Но самое главное — это сцинтилляционные элементы. Мы их тестировали неоднократно, проведя несколько сеансов в ЦЕРНе и в Лос-Аламосе. Ездили сами, анализировали данные, участвовали в сменах и удаленно. Прототипы показали отличные результаты, и было принято решение детектор массой примерно в две тонны, состоящий из двух миллионов таких кубиков, делать в России. Этим мы и занимались два года, в том числе и в пандемию. Сначала индивидуальные элементы, затем отрабатывали технологию сборки на лесках (которую придумали сами), исследовали, как убрать, уменьшить всякие неточности… Собрали плоскости — много плоскостей, — затем собрали полномасштабные прототипы детектора с помощью коллег из США и Японии. До пандемии была масса обсуждений, масса тестов, они тоже участвовали в этих работах, приезжали к нам в институт. В конце концов было принято окончательное решение: мы всё это изготовили, протестировали, собрали и по кускам — по плоскостям, которые мы собрали, — отправили в Японию. Это было в прошлом году уже после событий 24 февраля. Установка работает — это фундаментальная наука, и все понимают, что работу надо продолжать.

Сборка детектора СуперFGD началась в середине октября 2022 года, когда я приехал в Японию. В работе принимало участие много наших ребят, очень много студентов: у молодежи для таких вещей руки лучше, но и сотрудники институтов не отставали. Интенсивная работа по сборке продолжалась примерно два месяца. Это было хорошей школой для молодежи: участие в создании, сборке, физическом пуске детектора довольно редкое событие в больших экспериментах, и чем старше эксперимент, тем меньше людей знают, как делаются детекторы и что это такое: они видят их только на картинках.

Детектор был собран в конце 2022 года. Электроника делалась в Европе и США двумя группами. Она стала поступать уже весной, и сейчас почти вся электроника установлена, детектор уже стоит на месте в магните и настраивается; измеряются сигналы от космики (то есть от космических мюонов) — идет подготовка к сеансу. Четыре человека из ИЯИ работают с детектором в J-PARC постоянно.

М. Б.: Была идея создать еще какую-то промежуточную установку между вот этими основными двумя. Вы отказались от этой идеи?

— Верно: так называемый промежуточный детектор, или интермедиат-детектор, планировался в эксперименте t2k еще в районе 2003–2004 годов, двадцать лет назад. Проект возглавлял Такааки Кадзита, который потом получил Нобелевскую премию (но не за этот проект). Ситуация была забавная: это был проект еще одного ближнего (промежуточного) детектора. Наш ближний детектор находится на расстоянии 280 м от мишени, а промежуточный планировали поставить на расстоянии 2 км, но уже не на территории лаборатории J-PARC, а прямо в поселке Токай. Это масса сложностей: например, надо выкупать или брать в аренду землю, что довольно сложно и дорого. Группа, которую возглавлял Кадзита, не смогла убедить коллаборацию в абсолютной ценности этого детектора, т. е. все понимали, что лучше его иметь, чем не иметь, но вот сама стоимость сильно всех смущала, а денег не было. Тогда директором KEK был Ёдзи Тоцука, который возглавлял Супер-Камиоканде в момент окончательного открытия осцилляций (к сожалению, он скончался от онкологии). Тоцука сказал, что перед нами один вопрос: либо мы делаем этот детектор и уничтожаем эксперимент — там уже денег нет, либо мы его не делаем, а делаем эксперименты T2K. В общем, коллаборация должна решить. Я входил в эту комиссию — удивительно, была создана комиссия для того, чтобы сгладить ход дела. В Японии не любят принимать решения, говоря твердое «нет» или «да»: им хочется, чтобы это шло плавно. Комиссию возглавлял тогда замдиректора ТРИУМФ Жан-Мишель Путису, и мы с людьми, предложившими детектор, и с членами комиссии обсуждали, как выйти из сложившегося положения. Нашли оптимальное решение: пропоненты сказали, что есть определенные неразрешимые трудности, и они потихоньку снимают этот проект.

Всем всё было понятно, проблема была решена очень вежливо, аккуратно и тактично. Детектор в тот момент был снят, но сейчас в проекте Гипер-Камиоканде точности должны быть гораздо выше. Все-таки мы хотим найти нарушения CP-симметрии уже на уровне 5σ. Нам нужно открытие, а не намеки, нужно очень сильно снижать уровень систематических погрешностей. Этот детектор действительно поможет, и вот теперь он планируется, но не на расстоянии в 2 км, а, возможно, чуть поближе. Это связано с доступным местом для детектора. Идея пошла по второму кругу, и я думаю, что она будет реализована.

Б. Ш. Каков смысл второго детектора?

— Дело в том, что тогда, когда мы начинали T2K, он был направлен на поиск осцилляций ν_μ в ν_e — мюонных нейтрино в электронные. Основной вклад в вероятность этого процесса определяется величиной угла θ₁₃. Когда мы начинали T2K, никто не знал, какова величина этого угла, и он оказался неожиданно большим — около 9°. Все были счастливы, и реакторные эксперименты подтвердили результаты. Направление исследований немедленно сдвинулось, народ перестал думать о том, что этот параметр в нейтринных осцилляциях маленький (вовсе нет, он большой!), — и возникла идея немедленно перейти к поиску CP-нарушения. Но когда всё промоделировали, стало понятно, что осцилляции ν_μ в ν_e могут набрать большую статистику на новом детекторе Гипер-Камиоканде в 1000–2000 событий — это статистическая ошибка примерно в 3% (корень из числа). Это значит, что систематические ошибки, связанные с нейтринными сечениями, со знанием пучка, с эффективностью детекторов и их стабильностью, должны быть порядка 3%. Детектор можно контролировать, но здесь другой вклад вышел на первое место — незнание или плохое знание нейтринных сечений (именно на воде), и нам нужен еще один промежуточный детектор, чтобы измерить сечение взаимодействия, особенно электронных нейтрино в воде — не в Гипер-Камиоканде, где произошли осцилляции, а до осцилляции. Наш ближний детектор для экспериментов Т2К и Гипер-Камиоканде, который находится на расстоянии 280 м от мишени, не может быть сделан из черенковского водного детектора, потому что загрузки большие, и тогда он начнет часто срабатывать от нейтринных событий. Возникнет наложение, и это будет крайне неэффективно и запутанно для восстановления нейтринных событий. А если вы отъедете буквально на километр, то интенсивность будет еще на порядок меньше — фактор 1/R².

Основную вещь — сечения взаимодействия электронных нейтрино и антинейтрино — нам надо знать хорошо, это очень сложная задача, которая, собственно, и является основной задачей этого детектора.

М. Б. Какие еще цели, кроме обнаружения нарушений CP-симметрии, преследует этот проект?

— Спектр задач тут широкий. Я всегда говорю, что в любом начинании должен быть флаг, и в проекте Гипер-Камиоканде он представлен открытием CP-нарушений, если оно, конечно, максимально или близко к максимальному. Если оно не нарушается, то это тоже очень важно: тогда возникают другие, не менее интересные проблемы.

Б. Ш.: А чем это нарушение CP отличается от нарушения CP в распаде каонов?

— Это вопрос о механизме? Если бы я знал механизм, то ответил бы, что существует огромное количество моделей и теорий… Там могут быть совершенно разные параметры, но фундаментальная важность этого результата заключается вот в чем. Мы знаем, что существует барионная симметрия Вселенной, т. е. есть вещество — но нет антивещества, все это знают и даже чувствуют. Чтобы в природе подобное реализовалось (чтобы было вещество, а антивещества не было), должно быть CP-нарушение. Это условие Сахарова.

Дальше: мы знаем, что в уже упомянутом кварковом секторе в распадах каонов, B-мезонов и D⁰-мезонов CP нарушается. Но все попытки объяснить этим CP-нарушением CP-нарушения в ранней Вселенной абсолютно не проходят: там не хватает примерно десяти порядков. И вот если мы в нейтринных осцилляциях найдем новый источник CP-нарушения, то там исчезают многие факторы подавления. Есть модели, которые четко говорят, что есть связь между CP-нарушением в нейтринных осцилляциях и дальше через механизм лептогенезиса и т. д. сложным образом можно объяснить барионную асимметрию. Но есть модели и теории, которые показывают, что, возможно, СР-нарушение все-таки за 14 млрд лет «замазалось» и нет прямой связи между СР-асимметрией в нейтринных осцилляциях в «наше время» и асимметрией в распадах тяжелых фермионов в ранней Вселенной, и то, что мы найдем, будет очень трудно притянуть к тому CP-нарушению (кстати, этого взгляда придерживался Валерий Анатольевич Рубаков). Тем не менее подходы разные. Что важно: сам новый источник CP-нарушения, причем в лептонном секторе Стандартной модели. На вопрос, как его описывать, у меня ответа нет, но это исключительно важная вещь. Сейчас ведутся два ключевых эксперимента: это мы — T2K — и NOvA (Фермилаб) в США, еще два готовятся: Гипер-Камиоканде и опять же американский DUNE. Таким образом, большая часть основных средств в экспериментах чистой нейтринной физики направлена на поиски СР-нарушения в нейтринных осцилляциях.

Конечно, есть еще двойной β-распад, измерения массы нейтрино, поиск стерильных нейтрино и др., но ресурсы, которые на них тратятся, несопоставимы…

Кроме этого я хочу сказать, что стоит задача по определению иерархии масс нейтрино — фундаментальная вещь. Мы не знаем, как расположены массы нейтрино: m₃ — самые тяжелые, которые больше привязаны к τ-нейтрино, затем идет m₂ — к мюонным нейтрино и m₁ — к электронным. m₃ может оказаться и самым тяжелым, и самым легким. Это тоже важнейший вопрос, от которого зависит обнаружение безнейтринного двойного β-распада, определение суммарной массы нейтрино в космология, возможность прямого детектирования реликтовых нейтрино и др. Кроме того, мы говорим об осцилляциях и о массах нейтрино, но не знаем их величину. У нас в институте, в отделе экспериментальной физики под руководством Владимира Михайловича Лобашёва был получен лучший до недавнего времени в мире верхний предел на массу электронного нейтрино. Это эксперимент «Троицк ню-масс». Масса нейтрино в прямом измерении — не косвенном через космологию или через двойной β-распад, а прямое измерение бета-спектра трития. Сейчас лучшие результаты получены в эксперименте KATRIN в Германии, где также участвовали сотрудники нашего института.

Дальше стерильные нейтрино. Это действительно, как говорится, hot topic, но есть люди, которые верят в это, и люди, которые не верят, — и то, и другое пока что недоказуемо. Теория не дает четких указаний, эксперименты не предоставляют четких фактов… Первый серьезный намек на стерильное нейтрино явил эксперимент в Лос-Аламосе, который обнаружил неожиданную осцилляцию с большой массой, которая не вписывается в стандартные активные три типа нейтрино. Затем мир увидел потрясающий результат, который получился у нас в институте, — эксперимент SAGE, вернее, его калибровка, которая показала, что дефицит нейтрино тоже есть, и нейтрино при калибровке от искусственного источника куда-то исчезает. Затем эксперимент BEST, который проводится под руководством Владимира Николаевича Гаврина в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, снова подтвердил этот эффект. Это экспериментальные факты, но еще нужно упомянуть так называемую реакторную аномалию, которая также может быть интерпретирована как указание на проявление стерильных нейтрино, но она подвергается критике. Хотя сейчас, похоже, реакторная аномалия потихоньку «рассасывается»…

Тем не менее есть факты, которые говорят о том, что для их объяснения, скорее всего, нужно еще одно нейтрино, которое имеет массу, однако не взаимодействует никаким, даже слабым образом ни с кем и ни с чем, но может переходить в активные нейтрино, появляться из активных нейтрино — т. е. смешиваться с ними. Это стерильное нейтрино.

Б. Ш.: И темную материю оно может объяснить?

— Это зависит от массы. Если нейтрино кэВное, то темную материю оно объяснить может. Если это очень легкое нейтрино, то, наверное, на темную материю оно не претендует. B эксперименте T2K мы также ищем — как byproduct — эти легкие нейтрино в ближнем детекторе. Детектор SuperFGD также будет заниматься этой задачей. Кроме того, у нас хорошая чувствительность к более тяжелым частицам — они называются массивными, или тяжелыми нейтральными лептонами. Массы составляют сотни МэВ, а то и ГэВ. Эксперимент T2K имеет хорошую чувствительность к нейтральным лептонам, и они как раз и могут сыграть существенную роль в объяснении массы нейтрино. Есть несколько теорий или моделей, которые говорят, что такие нейтрино должны существовать, и с их помощью объясняется появление массы нейтрино. Я уже говорил о модели качелей, но есть еще и другие модели, которые подправляют и расширяют Стандартную модель. Вещь очень актуальная…

М. Б.: А еще меньшая надежда связана с возможностью регистрации распада протона, как я понимаю? Это тоже имеет отношение к вашей установке?

— Да, Супер-Камиоканде достигла предела на время жизни протона порядка 10³⁴ лет. Возраст Вселенной — 14 млрд лет (1,4 × 10¹⁰), а у протона 10³⁴–10³⁵. Тем не менее он пока не распадается, и Гипер-Камиоканде увеличит нижний предел на время жизни на порядок или, если повезет, зарегистрирует распад. Эксперимент в этом смысле понятен, хотя и не прост в исполнении. Вы создаете огромный массивный детектор, в котором есть протоны — они всегда есть в ядрах. Есть вода, есть восемь свободных протонов, есть кислород в воде, значит, водород тоже там. Протоны могут располагаться и там, и там, но в водороде их легче регистрировать, потому что это не ядро, нет ядерного взаимодействия, импульсов нуклонов. Можно легко посчитать: сначала число протонов в детекторе, а дальше сколько лет вы можете померить — 10, 20 или 30 лет работы, и в принципе, зная эффективность вашей установки, вы можете оценить тот предел, который можете достигнуть.

Масса Гипер-Камиоканде в восемь раз больше. Это значит, что за то же время, на протяжении которого функционировала Супер-Камиоканде (скажем, двадцать активных лет), предел улучшится где-то в десять раз.

М. Б.: Регистрация каких-то следов от распада темной материи уже относится к самим водяным детекторам, верно?

— Если мы говорим о WIMP, то ими занимаются специальные детекторы, которые регистрируют частицы по ядрам отдачи. Это очень чувствительные детекторы с низким порогом регистрации. Гипер- и Супер-Камиоканде используют другой способ: если у вас есть эти частицы (допустим, они осели в Солнце или в Земле), то они проаннигилируют, испустив какие-то частицы, в том числе и нейтрино. Эти-то нейтрино и могут быть зарегистрированы.

М. Б.: Там имеется в виду, что в дело вступает нарушение анизотропии: какие-то сигналы идут с направления на центр Галактики или от Солнца с Землей, и таким образом осуществляется распад таких взаимосталкивающихся аннигилирующих частиц темной материи. Какая-то такая идея… Она тоже имеет отношение к вашей установке?

— Да, и это зависит от энергии. Если энергии очень высокие, то, естественно, ими занимаются детекторы типа ICECube или Байкальский нейтринный телескоп ИЯИ РАН… Но если эта энергия относительно небольшая, то это задача для Гипер-Камиоканде.

М. Б.: И что-то еще заявляется о распаде радиоактивных элементов в Земле…

— Это серьезная задача, связанная с так называемыми геонейтрино. Здесь важно, чтобы детектор стоял подальше от реакторов, потому что спектр этих нейтрино очень близок к реакторным от тех процессов, которые происходят в Земле от распадов радиоактивных изотопов. Поэтому вам нужно, чтобы вы стояли относительно далеко от реакторов или подавляли реакторный фон. Сейчас их реально зарегистрировали два эксперимента: один в Гран-Сассо (эксперимент с небольшой статистикой) и KamLAND, где детектор стоит на месте, регистрируя геонейтрино. Это действительно новая область, находящаяся в самом начале своего развития, и она важна для понимания процессов в Земле. Гипер-Камиоканде заняться этим не сможет, потому что нужен низкий порог. Там нам надо спуститься, наверное, на 5–6 МэВ — откровенно говоря, думаю, что это будет трудно.

¹ trv-science.ru/2023/10/serdce-blizhnego-neutrinnogo-detektora-t2k-hk

² trv-science.ru/2019/09/mister-neitrino/

³ trv-science.ru/tag/gran-sasso/

⁴ Российско-американский проект SAGE в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН (Северный Кавказ). trv-science.ru/tag/bno-iyai-ran/

⁵ trv-science.ru/2011/07/obnaruzhenie-novogo-tipa-oscillyacij-nejtrino/

⁶ Беседа состоялась 1 ноября. — Ред.