Физики из группы MiniBooNE впервые поставили эксперимент по рассеянию на атомах углерода-12 нейтрино с точно заданной энергией, равной 236 мегаэлектронвольт. Моноэнергетические нейтрино, которые участвовали в подобных измерениях, испускались в результате распада покоящихся каонов, которые, в свою очередь, возникали при торможении протонов в поглотителе, стоящем в 725 метрах от мишени главного инжектора Фермилаба. Измеренное экспериментально сечение рассеяния нейтрино в целом совпало с теоретическими предсказаниями. Статья опубликована в Physical Review Letters, кратко о ней сообщает Physics.
Нейтрино очень сложно детектировать, поскольку они практически не взаимодействуют с веществом. Так, нейтрино с энергией порядка десяти мегаэлектронвольт может пролететь в воде около 1018 метров — то есть около ста световых лет, — прежде чем рассеяться на ее молекулах. С другой стороны, измерение сечений взаимодействия таких «неуловимых» частиц с другими частицами Стандартной модели может привести к открытию так называемой «новой физики» — новых эффектов, которые нельзя объяснить в рамках существующих теорий. Кроме того, до сих пор не известно, какую массу имеют нейтрино — известно только, что она отлична от нуля и не превышает 0,1 электронвольта. Если точнее, сумма масс нейтрино всех трех типов не превосходит 0,28 электронвольт, а разница их квадратов составляет менее 2,7×10−3 электронвольт в квадрате. Поэтому физики строят огромные детекторы, чтобы увидеть такие редкие взаимодействия. Например, детектор Super-Kamiokande, сыгравший роль в открытии осцилляций солнечных нейтрино, содержит 50 тысяч тонн воды.
Еще одной проблема, которая мешает ученым исследовать свойства нейтрино, — это невозможность точно установить энергию прилетающих в детектор частиц. В самом деле, природные нейтрино, которые рождаются в термоядерных реакциях на Солнце, вспышках сверхновых или других астрофизических процессах, могут иметь практически произвольную энергию вплоть до нескольких сотен гигаэлектронвольт, и судить о ее величине заранее нельзя. С другой стороны, энергию «искусственных» нейтрино, которые рождаются в термоядерных реакторах и на ускорителях, теоретически можно рассчитать, зная энергию других продуктов реакций. К сожалению, на практике такой способ реализовать нельзя: чтобы произвести достаточно много нейтрино, на подобных установках практически одновременно идет очень много реакций, и «распутать» их продукты практически невозможно. Кроме того, часть энергии могут уносить другие «неуловимые» частицы — например, частицы темной материи. В то же время, для изучения взаимодействия нейтрино с ядрами атомов, в ходе которого нуклоны и нейтрино обмениваются W±-бозонами (так называемый заряженный ток, charged current interaction), знать энергию нейтрино просто необходимо. Поскольку это взаимодействие может ограничить некоторые теоретические модели, ученые ищут способы точно задать энергию участвующих в нем нейтрино.
Ученым из коллаборации MiniBooNE, сосредоточенной на наблюдении осцилляций нейтрино, похоже, впервые удалось сделать это. Для проверки заряженного тока исследователи предложили использовать нейтрино, которые рождаются при распаде покоящихся каонов (kaon decay at rest, KDAR) — такие реакции составляют примерно 63,6 процента от всех распадов каонов, а энергия нейтрино в них в точности равна 236 мегалектронвольт. Несмотря на простоту такого решения, ранее распады покоящихся каонов наблюдались только совместно с другими реакциями, приводящими к рождению нейтрино, а потому выделить их вклад не удавалось. На этот раз фоновый сигнал снова был достаточно силен, однако ученым удалось снизить его до приемлемых значений.
Детектор MiniBooNE представляет собой огромный шар, заполненный 445 тоннами минерального масла. На стенках шара установлено 1280 фотоумножителей, которые постоянно просматривают его объем в поисках взаимодействий нейтрино с молекулами масла — например, при поглощении мюонного нейтрино атомом углерода возникает антимюон, который ионизирует масло и вызывает в нем световую вспышку. Основным источником нейтрино для MiniBoonNE служат столкновения протонов, поступающих из главного инжектора Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаба), с двухметровой углеродной мишенью. Около одной шестой от всех протонов беспрепятственно проходит через мишень и направляется на алюминиевый поглотитель, окруженный оболочкой из стали и бетона и находящийся в 725 метрах от мишени, но в 86 метрах от детектора. В результате взаимодействия протонов с веществом поглотителя в нем возникают каоны, которые быстро замедляются и практически сразу же распадаются на антимюоны и мюонные нейтрино — это и есть процесс KDAR.
Разумеется, MiniBooNE регистрирует все нейтрино — не только те, что образуются в поглотителе, но и возникающие при столкновениях протонов с атомами мишени или во время последующих распадах адронов. На энергии 236 мегалектронвольт отношение полезного сигнала к фоновому составляет примерно 1:1. Однако ученым из Фермилаба повезло — MiniBooNE находится сравнительно близко к поглотителю, что приводит к сравнительно большому потоку нейтрино, рождающихся при распадах каонов, и одновременно позволяет отличить их от фоновых нейтрино по времени прилета. В самом деле, нейтрино движутся немного быстрее протонов, а потому частицы от мишени добираются до детектора на 200 наносекунд раньше, чем частицы от поглотителя. Сравнивая число отсчетов в начале и конце временного окна, в течение которого нейтрино производились на установке, ученые отличали нейтрино от распадов покоящихся каонов со статистической значимостью около 2,1–2,4σ, то есть вероятность «ложного срабатывания» составляла не более трех процентов. А с помощью более детального анализа физики довели статистическую значимость до величины 3,9σ, то есть снизили вероятность ошибки до 1,1×10−4.
В результате исследователи выяснили, что сечение рассеяния нейтрино на атомах углерода, происходящее благодаря обмену W±-бозонами, составляет примерно 2,7±1,2×10−39 сантиметров квадратных на нейтрон, если энергия нейтрино в точности равна 236 мегаэлектронвольтам. Это отвечало примерно 3700 регистрациям нейтрино за время работы детектора. В целом, измеренное значение совпадает с результатами численного моделирования, которое предсказывало значение около 1,3×10−39 сантиметров квадратных на нейтрон. Кроме того, ученые подчеркивают, что из-за своей универсальности процесс KDAR можно рассматривать в качестве «стандартной свечи» для нейтринных детекторов.
В сентябре прошлого года группа COHERENT, в которую входят российские ученые, впервые зарегистрировала процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядрах цезия-133 и иода-127 — при энергиях порядка десяти мегаэлектронвольт сечение этого рассеяния в несколько десятков раз превосходит сечение других процессов, ответственных за взаимодействие нейтрино с веществом. Эта энергия примерно на порядок меньше энергии нейтрино, возникающих при распадах каонов.
По информации https://nplus1.ru/news/2018/04/10/KDAR
Обозрение "Terra & Comp".
