Осцилляции нейтрино и с чем их едят

[Александр Аркадьевич Нозик]

Я думаю, все уже успели узнать из новостей, что Нобелевскую премию по физике в 2015 году вручили за открытие нейтринных осцилляций в экспериментах Sudbury Neutrino Observatory (SNO) и Kamiokande. Владимир Семенович Булыгин попросил меня в двух словах пояснить, что такое нейтринные осцилляции. Здесь я напишу очень кратко, а если будет повышенный интерес к этой теме, можно устроить очный семинар.
Не буду начинать с открытия нейтрино (за это тоже в свое время дали две Нобелевские премии ‒ за теорию и экспериментальное обнаружение), так как это история долгая, но, на мой взгляд, интересная. Важно понять, что их существование доказано в эксперименте. Первые же измерения параметров нейтрино, проведенные еще в 1950-х годах, показали, что их масса ничтожно мала (по сравнению с массами других частиц). В так называемой стандартной модели физики частиц очень удобно считать нейтрино безмассовыми, как фотоны, поэтому долгое время считалось, что это так и есть.
Довольно быстро выяснилось, что, помимо уже ставших привычными электронных, существуют мюонные и тау-нейтрино, составляющие пары мюону и тау-электрону соответственно (за экспериментальное обнаружение мюонного нейтрино в 1988 году дали Нобелевскую премию). Все было просто и понятно до тех пор, пока Раймонд Дэвис в 1970 году не измерил поток нейтрино от солнца (еще одна Нобелевская премия и очень интересный эксперимент). Оказалось, что их поток слишком мал и не стыкуется с теориями строения солнца. К этому времени уже были открыты так называемые осцилляции К-мезонов и существовала разработанная Бруно Понтекорво в 1950-х годах теория осцилляций нейтрино, поэтому почти сразу возникло предположение, что и модель солнца правильная и Дэвис не ошибается, просто по пути от солнца часть нейтрино превращаются из электронных (тех, которые регистрировал Дэвис) в мюонные (которые он не «видел»).
В экспериментах SNO и Kamiokande (а также еще в нескольких, премию за которые не дали), в отличие от радиохимического метода Дэвиса, использовались огромные водные детекторы, чувствительные не только к электронным, но также и к мюонным, а также (хотя и в меньшей степени) к тау-нейтрино. Эти эксперименты не только показали, что полный поток нейтрино от солнца полностью совпадает с солнечной теорией, но в них также можно было наблюдать нейтрино от других источников (распад мюонов в атмосфере, космические объекты, реакторы, ускорители).
На сегодняшний день осцилляции нейтрино доказаны, и многие страны вкладывают огромные деньги в эксперименты, призванные уточнить параметры этого эффекта. Из этого открытия также следуют очень важные выводы:
• Осцилляции наглядно доказывают, что так называемое флейворное лептонное число не сохраняется, а значит, мюоны могут превращаться в электроны и так далее.
• Нейтринные осцилляции, по современным представлениям, невозможны в случае, если масса нейтрино равна нулю. Но она есть, пусть даже и ничтожно мала. Этот факт предоставляет возможности для проведения огромного количества различных исследований за пределами стандартной модели.

Краткое описание на этом можно закончить. Более подробно обсудить этот вопрос мы можем в один из четвергов (в 17.05 я провожу факультатив, так что всегда могу прийти пораньше).

[Станислав Владиленович Виноградов]

На эту тему решено провести научный семинар кафедры, состоится он в четверг в 15 октября в 12-20 в 517 ГК. Приглашаются, как обычно, все желающие.

[Владимир Семёнович Булыгин]

Физик-экспериментатор Александр Нозик в 2011 году защитил в ИЯИ РАН кандидатскую диссертацию:

Результаты обработки данных эксперимента "Троицк ню-масс" по прямому измерению массы электронного нейтрино

[Александр Аркадьевич Нозик]

Вообще, мне пришло в голову, что Лев Владиславович Инжечик, как специалист по низкофоновым экспериментам (к которым принадлежит и SNO и Kamiokande) эту тему должен знать лучше меня. Но раз уж назначили, то я могу рассказать общие моменты, а Лев Владиславович может быть добавит каких-нибудь интересных деталей.

[Владимир Семёнович Булыгин]

Кажется, и Сергей Борисович Шаулов когда-то участвовал в нейтринный экспериментах на Байкале

[Станислав Владиленович Виноградов]

Он сказал, что в нейтринной лаборатории работал, но занимался не нейтрино, а другими вопросами. Во всяком случае, на семинар я Сергея Борисовича пригласил. Лев Владиславович также обещал быть и прокомментировать или дополнить доклад Александра Аркадьевича.