Охотники за немаксимальным смешиванием

From AstroNuWiki
Jump to: navigation, search
В отсутствие нейтринных осцилляций ожидается спектр мюонных нейтрино, изображенный синими точками. Регистрируемый экспериментальный спектр (черная гистограмма) показывает надежное наблюдение явления нейтринных осцилляций. Полученный результат дает указание на то, что третье массивное нейтрино имеет разное смешивание с нейтрино мюонного и таонного ароматов.

Нейтрино - это чрезвычайно интересная частица с уникальными свойствами. Она по крайней мере в миллион раз легче электрона и способна пересекать космические расстояния, не взаимодействуя с другой материей и не отклоняясь от своей первоначальной траектории. Пока вы читаете эту статью, несколько миллиардов нейтрино от Солнца пролетают через каждый квадратный сантиметр поверхности вашего тела.

Существует три типа нейтрино, которые могут рождаться в источниках и регистрироваться в детекторах, - электронное, мюонное и таонное. Однако нейтрино обладают интересным свойством, названным осцилляциями: они меняют свой тип (или аромат) по пути своего распространения. Как будто футбольный мяч, введенный в игру вратарем, превратился в баскетбольный и был забит нападающим в корзину. Подобное возможно в таинственном квантовом мире физики, потому что нейтрино с определённым ароматом не имеют определённой массы; нужна смесь состояний с определённой массой, чтобы получить нейтрино с определённым ароматом, и наоборот. Это потрясающее свойство позволяет нейтрино переходить из одного типа в другой.

Экспериментальное доказательство существования нейтринных осцилляций было отмечено Нобелевской премией по физике 2015 года и премией “Прорыв года” 2016. Но еще осталось много открытых вопросов о природе нейтрино. Один из этих вопросов - есть ли преобладание смешивания мюонного или таонного нейтрино в третьем массивном состоянии или же они эквивалентны (максимальное смешивание)? Предыдущие экспериментальные данные согласуются со случаем "максимального смешивания". Однако в рамках наших современных знаний о нейтрино нет фундаментальных причин тому, что это смешивание должно быть обязательно максимальным. Если это действительно так, это было бы свидетельством нового закона сохранения.

Физики, непосредственно участвующие в анализе. Вверху: Владимир Бычков (Университет Миннесоты) и Жозеф Лозье (Калифорнийский технологический институт). Внизу: Хосе Сепульведа-Кирос (Университет Айова) и Люк Винтон (Университет Суссекса, Великобритания).

Ускорительный эксперимент NOvA с длинной базой нейтринных осцилляций располагает наиболее интенсивным в мире нейтринным пучком. Мюонные нейтрино из Фермилаба проходят сквозь земную толщу и регистрируются в дальнем детекторе размером с пятиэтажное здание на севере Миннесоты (США). Это позволяет NOvA с большой чувствительностью измерять свойства нейтринных осцилляций при помощи детектирования мюонных нейтрино, выживших на расстоянии 810 км от источника, и электронных нейтрино, которых не было в первоначальном пучке, но родившихся по пути.

На рисунке вверху приведен недавний результат NOvA, анонсированный на конференции “Neutrino 2016” в Лондоне. Энергетический спектр осциллирующих мюонных нейтрино содержит 78 событий из 473 ожидаемых от первоначального пучка - очень надежное наблюдение осцилляций. Но наиболее важным результатом этого измерения является форма спектра, позволяющая сделать вывод о "немаксимальном смешивании" третьего массивного нейтрино.

Это очень интригующее указание, но не железное свидетельство против "максимального смешивания". Текущие результаты эксперимента NOvA имеют достоверность на уровне 2,5 стандартных отклонений, что всё же оставляет вероятность около 1,2% для возможности максимального смешивания. Однако ученые, работающие в области физики частиц, обычно начинают доверять результатам на уровне 3 стандартных отклонений или 0,3% вероятности обратной гипотезы, а об открытии принято говорить только на уровне 5 стандартных отклонений и 0,00006% вероятности, соответственно.

Эксперимент NOvA начал свою работу относительно недавно, и представленный анализ получен на основе лишь 1/6 запланированных к набору экспериментальных данных. Это позволяет ожидать в дальнейшем новые результаты с лучшей чувствительностью и достоверностью.

Бруно Заморано и Грегори Павлоски (перевод Олега Самойлова).