Наблюдая за трансформациями нейтрино, ученые надеются ответить на фундаментальные вопросы физики.

Группа физиков — сотрудников Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ): директор Лаборатории ядерных проблем Вадим Александрович Бедняков, заместитель директора лаборатории Дмитрий Вадимович Наумов и руководитель сектора реакторных антинейтрино Максим Олегович Гончар, рассказали о последних новостях эксперимента Daya Bay, исследующего природу загадочной частицы — нейтрино.

В районе под названием Дая Бэй, расположенном на расстоянии 55 километров на северо-востоке от Гонконга, проходит эксперимент, исследующий призрачные, неуловимые частицы — нейтрино. Сегодня международная коллаборация Daya Bay объявляет о новых результатах, которые имеют большое значение для дальнейшего развития нейтринной физики.

Исследования основаны на наблюдении и изучении нейтринных осцилляций — эффекта, обусловленного изменением типа (или флейвора) нейтрино по мере их движения от источника до детектора. Эти исследования позволяют определить два ключевых параметра нейтринной физики — «угол смешивания нейтрино» и «разность квадратов нейтринных масс».

Предыдущий результат эксперимента Daya Bay, опубликованный в 2014 году, является наиболее точным в мире. Новое измерение параметров нейтрино, обладающее, по крайней мере, в два раза лучшей точностью, будет опубликовано в Physical Review Letters.

«В физике нейтрино мы стали свидетелями перехода из эпохи открытий в эпоху прецизионных измерений», — говорит В.А.Бедняков. Коллаборация Daya Bay состоит из более чем двухсот ученых из семи стран.

«Очень важно максимально точно измерить параметры осцилляций нейтрино: угол смешивания и разность квадратов масс, — добавляет Вадим Александрович, — потому что нейтрино могут играть ключевую роль в объяснении асимметрии материи и антиматерии во Вселенной. Эта асимметрия между частицами и античастицами призвана объяснить, почему вскоре после Большого Взрыва и последующей взаимной аннигиляции материи и антиматерии, часть материи все же осталась и сформировала Вселенную такой, какой мы видим ее сегодня».

Изменчивые нейтрино

Нейтрино ведут себя не так, как другие фундаментальные частицы: они как будто исчезают, появляются вновь, меняя свой тип по мере беспрепятственного движения от источников, солнца и звезд, через космос, планеты и даже наши собственные тела.

Существует три «аромата» нейтрино — электронное, мюонное и тауонное. По мере движения нейтрино «осциллирует» между этими ароматами. Частица, которая рождается как электронное нейтрино, может через какое-то время превратиться в тау-нейтрино. Затем, спустя еще какое-то время, оно будет выглядеть так же, как в начале. Подобные переходы с течением времени происходят снова и снова. Эти осцилляции, в точности как и звуковые волны, имеют определенную амплитуду и частоту.

По амплитуде осцилляций нейтрино, связанной с углом смешивания, ученые могут судить о частоте, с которой нейтрино меняют свой тип. Частота осцилляций в свою очередь дает информацию о разнице между массами нейтрино — точнее, разности квадратов масс.

Нейтринная сеть

Для исследования нейтринных осцилляций коллаборация Daya Bay использует восемь детекторов, погруженных в три больших подземных бассейна с водой. Детекторы находятся на разных расстояниях от шести ядерных реакторов, непрерывно обеспечивающих поток электронных антинейтрино. Детекторы замечают взаимодействия по мере того, как сквозь них пролетают миллионы квадриллионов электронных антинейтрино.

Используя данные, набранные за 217 дней при шести активных детекторах и за 404 дня при всех восьми работающих детекторах, исследовательская группа определила значение угла смешивания нейтрино, известного как θ₁₃ (произносится тета-один-три), с точностью, вдвое лучшей, чем у их предыдущего результата. Точность измерения разности квадратов масс также была улучшена в два раза.

«Мы достигли уровня точности, который будет полезен для проведения будущих нейтринных экспериментов», — говорит член коллаборации Daya Bay М.О.Гончар и добавляет, что данные эксперимента поддерживают модель осцилляций, учитывающую смешивание между тремя типами нейтрино.

Эксперимент Daya Bay продолжает работу. К концу 2017 года в распоряжении коллаборации будет, по крайней мере, в четыре раза больше данных, которые позволят еще больше улучшить точность измерения угла смешивания θ₁₃ и соответствующей разности квадратов масс нейтрино. К тому времени все три угла смешивания (включая θ₁₂ и θ₂₃) и обе разности квадратов масс могут быть известны с погрешностями не более 3-х процентов.

Команда занимается не только уточнением уже существующих результатов, но также ищет следы «стерильного» нейтрино — гипотетической частицы, которая может смешиваться с тремя известными типами нейтрино. Если они будут обнаружены в данных, ученым придется пересмотреть трех-нейтринную модель осцилляций, а также Стандартную модель, которую физики используют для описания взаимодействий элементарных частиц.

«Результаты эксперимента Daya Bay — это новый шаг к пониманию  фундаментальных законов Природы», — подчеркивает член коллаборации Daya Bay Д.В.Наумов.

В.А.Бедняков, Д.В.Наумов, М.О.Гончар