Нобелевская премия 2015 года по физике — за осцилляции нейтрино

Arthur McDonald Takaaki Kajita

Этого ждали давно — Нобелевская премия 2015 года по физики присуждена, как было объявлено Шведской королевской академией наук 6 октября, за «открытие осцилляций нейтрино, подтверждающее наличие у нейтрино ненулевой массы».

Лауреатами стали канадец Артур Макдональд (Arthur McDonald) и японец Такааки Каджита (Takaaki Kajita). А. Макдональд (1949 г. р.) в настоящее время работает в Королевском университете (Queen’s University, Kingston, Canada), а Т. Каждита (1953 г. р.) — в Университете Токио.

Оба лауреата — вдохновители двух крупнейших нейтринных коллабораций (экспериментов), коллективы которых впервые безоговорочно подтвердили существование нейтринных осцилляций, на что также указывали и результаты ряда других коллабораций. Т. Каджита является руководителем нейтринного эксперимента Супер-Камиоканде (Super Kanmiokande) в Японии, в котором впервые в 1998 году зафиксировали нейтринные осцилляции при регистрации потока атмосферных нейтрино. А. Макдональд руководил экспериментом в Нейтринной обсерватории в Садбери (Sudbery Neutrino Observatory) в Канада, в котором в 2001 году было окончательно подтверждено существование нейтринных осцилляций при регистрации потока нейтрино от Солнца.

Осцилляций нейтрино — это изменение по гармоническому закону типа нейтрино, т.е., перетекание нейтрино одного типа в другой и обратно, при распространении нейтринного пучка от источника к детектору. Напомним, что существуют три различные типа (или как говорят — «флейвора») нейтрино: нейтрино электронные, мюонные и тау-нейтрино.

Экспериментальное доказательство существования нейтринных осцилляций прямо указывает на необходимость выход за пределы Стандартной теории взаимодействий частиц, которая, если исключить из рассмотрения нейтрино, прекрасно описывает свойства и взаимодействия всех известных в настоящее время элементарных частиц и их взаимодействия. Сама возможность осцилляций нейтрино критически зависит от величины массы частицы — если бы нейтрино было безмассовой частицей, то осцилляции были бы невозможны.

В Стандартной модели считается, что нейтрино является безмассовой частицей, поэтому в рамках Стандартной модели осцилляции между различными типами нейтрино отсутствуют. Присуждение Нобелевской премии за осцилляции нейтрино является официальным признанием существование физики за пределами Стандартной модели.

Напомним, что предыдущей из присужденных в области физики элементарных частиц Нобелевской премией (2013 год) были отмечены результаты теоретических исследований британца Питера Хиггса и бельгийца Франсуа Энглера. Лауреаты той премии ещё в середине 60-х прошлого века предложили механизм возникновения масс у элементарных частиц и на этой основе предсказали существование новой элементарной частицы — бозона Хиггса. Нобелевскую премию П. Хиггсу и Ф. Энглеру присудили в 2013 году после того, как хиггсовский бозон — последняя из элементарных частиц, предсказываемых Стандартной моделью — был обнаружен на Большом адронном коллайдере ЦЕРНа в 2012 году. Нобелевская премия по физике за 2013 год триумфально венчала почти полувековой период в истории физики элементарных частиц, связанный со становлением и развитием Стандартной модели взаимодействия частиц.

Нейтринное излучение, пронизывающие всё пространство вокруг нас на Земле, состоит из четырех основных компонентов. Это потоки нейтрино природного происхождения: 1) солнечные нейтрино, генерируемые в ядерных реакциях в недрах Солнца и приходящие на Землю, и 2) нейтрино атмосферные, которые возникают при взаимодействии космических лучей с верхними слоями атмосферы. Есть нейтрино и рукотворного происхождения: 1) нейтрино от реакторов — реакторные нейтрино, и 2) нейтрино ускорительные, возникающие при взаимодействии элементарных частиц на ускорителях.

Среди четырех основных потоков нейтрино особое место занимают солнечные и атмосферные.

Дело в том, что при их изучении обнаруживаются удивительные аномалии — потоки солнечных и атмосферных нейтрино, регистрируемые в земных экспериментальных установках, оказываются значительно ниже, чем должно быть по теоретическим расчетам в рамках Стандартной модели. Так что принято говорить о существовании «проблемы солнечных нейтрино» и «проблемы атмосферных нейтрино».

Обнаруженные осцилляции нейтрино позволяют дать объяснение проблеме солнечных нейтрино. Исходно возникающий в термоядерных реакциях в глубине Солнца поток нейтрино состоит из электронных нейтрино. Часть из солнечных электронных нейтрино на пути к Земле переходят в нейтрино других сортов (преимущественно в мюонные нейтрино, а также в тау-нейтрино). Это приводит к тому, что в детекторе солнечных нейтрино в земной экспериментальной установке обнаруживается меньше электронных нейтрино.

Первые эксперименты по регистрации солнечных нейтрино были проведены 1960-х годах в эксперименте Homestake (США), который проработал около 25 лет и показал, что регистрируемый им поток электронных нейтрино примерно в три раза меньше теоретических предсказания на основе стандартной модели Солнца. За эти результаты руководитель эксперимента Рэй Дэвис (США) был удостоен Нобелевской премии по физике за 2002 год. Существенное подавление потока солнечных электронных нейтрино было подтверждено в 90-х годах и другими экспериментами, в частности в российском эксперименте SAGE на Баксане и Gallex (Национальная лаборатория Гран Сассо, Италия). Однако окончательного доказательства о существовании нейтринных осцилляций данные эксперименты дать не могли, так как в них не регистрировались две другие компоненты нейтринного потока (мюонные и тау-нейтрино), что оставляло возможность объяснить дефицит солнечных электронных нейтрино как результат неправильного теоретического описания процессов генерации нейтрино на Солнце.

Коллаборация SNO, которая начала набирать статистику в 1998 году и представила свои результаты в двух публикациях 2001 и 2002 годов, окончательно подтвердила, что решение проблемы солнечных обеспечивается эффектом нейтринных осцилляций. Одновременно с измерением потока электронных нейтрино в эксперименте SNO был померен и полный поток нейтрино (суммарный поток электронных, мюонных и тау-нейтрино), который совпал с тем, что предсказывает солнечная модель. В то же время, эксперимент SNO показал, что электронная компонента, в согласии с раннее выполненными экспериментами, составила всего лишь треть от исходного или суммарного потока нейтрино.

Таким образом, именно коллаборация SNO доказала, что никуда солнечные нейтрино не потерялись, а просто, родившись в центре Солнца в форме электронных нейтрино, по пути на Землю перешли в нейтрино другого сорта за счет механизма осцилляций.

«Проблема атмосферных нейтрино», по сути, аналогична «проблеме солнечных нейтрино». Здесь также при регистрации в лабораторных экспериментальных установках фиксируется существенный недостаток нейтрино, идущих на Землю от верхних слоев атмосферы. Единственное существенное отличие — речь идёт о дефиците мюонных нейтрино, а не об электронных, как в случае солнечных нейтрино. О возможности решить проблему атмосферных мюонных нейтрино за счет осцилляций нейтрино было заявлено в 1998 Т. Каджитой в его выступлении от имени коллаборации на международной конференции по физике и астрофизике нейтрино. В докладе на основе полученных коллаборацией Super-Kamiokande данных было показано, что поток мюонных атмосферных нейтрино, попадающий в детектор кратчайшим путем после пролета расстояния в 10-20 км от верхних слоев атмосферы до Земли (то есть, поток, приходящий в детектор сверху прямо из атмосферы) гораздо больше, чем поток мюонных нейтрино, приходящий в детектор из атмосферы снизу после пролета дополнительного тысячекилометрового пути при распространении сквозь Землю. С учетом того, что для регистрируемых детектором потоки атмосферных электронных нейтрино сверху и снизу были примерно одинаковыми, был сделан вывод, что подавление «нижних» мюонных нейтрино по сравнению с «верхними» мюонными нейтрино вызвано их переходом (за счет явления осцилляций) в тау-нейтрино, которые детектор не отслеживал.

Отметить, что присуждение Нобелевской премии 2015 года за открытие осцилляций нейтрино и доказательства факта наличия у нейтрино ненулевой массы подтверждает важность нейтринной тематики в образовательной и научной-исследовательской деятельности, ведущихся на физическом факультете МГУ уже многие годы.

Прежде всего, следует вспомнить, что выдающийся советский ученый итальянского происхождения Бруно Максимович Понтекорво, мировую славу которому принесли его фундаментальные исследования и результаты по физике нейтрино, на протяжении двадцати лет с 1966 по 1986 год возглавлял кафедру физики элементарных частиц физического факультета МГУ и был членом Ученого совета физического факультета. Именно Бруно Понтекорво в своей работе, опубликованной в ЖЭТФ в 1957 году, указал на возможность смешивания и осцилляций нейтрино при условии, что масса нейтрино отлична от нуля. Более того, в 1967 году Бруно Понтекорво впервые предсказал подавление потока солнечных нейтрино в наземных экспериментах по сравнению с исходным количеством нейтрино, испускаемых Солнцем («проблема солнечных нейтрино»).

На физическом факультете в настоящее время продолжаются заложенные традиция в проведении научных исследований и обучения студентов по физике нейтрино и смежным вопросам.

Почти двадцать лет на кафедре теоретической физики под моим руководством работает группа по теории нейтрино. За это время членами группы было подготовлено и защищено 9 кандидатских и две докторских диссертации, посвященных изучению различных аспектов физики массивных нейтрино, включая явления смешивания и осцилляций нейтрино. Особое внимание при этом уделяется изучению электромагнитных свойств нейтрино, которые можно рассматривать как одно из важных следствий ненулевой массы нейтрино. По данной проблеме руководителем нейтринной группы только что опубликована большая обзорной статья в одном из самых высоко рейтинговых международных научных журналах: C. Giunti, A. Studenikin, Electromagnetic interactions of neutrinos: a window to new physics, Revews of Modern Physics, 87 (2015) 531-603.

Для студентов бакалавриата и магистратуры читаются курсы по физике нейтрино (оба курса — на английском языке). С этого года также читается и межфакультетский курс по физике нейтрино. По приказу ректора и декана проводятся ежегодные Международные школы по физике нейтрино и астрофизике. Вопросы физики нейтрино составляют значительную часть научной программы проводящихся в МГУ по нечетным годам международных Ломоносовских конференций по физике элементарным частицам. Координация учебной и научно-исследовательской работы осуществляется по программе Научно-образовательного центра «Лаборатория физики нейтрино и астрофизики имени Б.М. Потекорво».

Присуждение Нобелевской премии по физике в 2015 году за открытие осцилляций нейтрино требует от нас дальнейшей концентрации усилий в совершенствовании образовательного процесса и развитии научных исследований по физике нейтрино в МГУ.

А. Студеникин, профессор кафедры теоретическойфизики, директор Научно-образовательного центра«Лаборатория физики нейтрино и астрофизикиимени Б.М.Понтекорво», член Научного совета РАН«Физика нейтрино и нейтринная астрофизика»