Исследования по физике нейтрино — новые фундаментальные результаты магистрантов кафедры теоретической физики

Физический факультет МГУ — признанный мировой центр по физике нейтрино, в котором в гармоничном единстве с участием молодёжи ведутся прорывные научные исследования и осуществляется образовательный процесс. Более 20 лет по данному направлению работает возглавляемая профессором Александром Студеникиным научная группа. За это время членами коллектива был выполнен комплекс исследований фундаментальных свойств нейтрино, подготовлено и защищено множество дипломных работ, 10 кандидатских и 3 докторские диссертации. В настоящее время в состав научной группы входят 3 студента магистратуры, 5 студентов бакалавриата, 5 сотрудников физического факультета, НИИЯФ МГУ, ФИЗТЕХа и ИЯИ РАН.

Важный этап в работе нейтринной группы ознаменовался созданием и началом реализации с 2013 года межкафедральной магистерской программы «Физика нейтрино» (руководитель программы — Александр Студеникин), которая обеспечивается усилиями кафедр теоретической физики, квантовой статистики и теории поля, квантовой теории и физики высоких энергий, физики частиц и космологии, а также Института ядерных исследований РАН и Объединенного института ядерных исследований (Дубна).

Среди главных направлений проводимых исследований выделяется развитие теории осцилляций нейтрино — явления, предсказанного в 1957 году Бруно Максимовичем Понтекорво, который почти 20 лет в 6080-х годах прошлого века являлся сотрудником физического факультета. В последние два года по данному направлению научной группой выполнен комплекс исследований, одним из главных вопросов которого является учет влияния магнитных полей на протекания осцилляций нейтрино. Активное участие в исследованиях принимают студенты Артем Попов и Павел Пустошный, которые в настоящее время проходят обучение на первом курсе магистратуры по программе «Физика нейтрино» под руководством профессора А. Студеникина.

Студенты магистратуры кафедры теоретической физики Артем Попов (справа) и Павел Пустошный с профессором А.И. Студеникиным

Полученные А. Поповым и П. Пустошным результаты были представлены в докладах на двух крупнейших международных конференциях 2017 года:

1) European Physical Society Conference on High Energy Physics (Venice, Italy), которая является важнейшей конференцией по физике высоких энергий прошедшего года,

2) 15th International Conference on Topics in Astroparticle and Underground Physics (Sudbury, Canada), которая, соответственно, была центральной конференцией по физике нейтрино в 2017 году.

В настоящее время Артём Попов развивает новый подход (предложенный А. Студеникиным в опубликованных пару лет назад работах) в теории осцилляций нейтрино в присутствие магнитного поля. Идея подхода заключается в использовании точных волновых функций нейтрино, учитывающих действие магнитного поля, для описания спиновых состояний нейтрино в поле. В проведенных Артёмом Поповым исследованиях, результаты которых составят основу его магистерской диссертации, получены новые оригинальные выражения для вероятностей осцилляций нейтрино, точно учитывающие эффекты магнитного поля. Полученные результаты выявили новые, ранее не исследованные, особенности зависимости вероятностей осцилляций нейтрино от величины и направления магнитного поля.

Павел Пустошный построил теорию особого типа осцилляций нейтрино, при которых осуществляются переходы между нейтрино в двух различных спиновых состояниях (так называемые, «спиновые осцилляции нейтрино») под действием поперечного относительно распространения нейтрино потока вещества. Возможность возникновения спиновых осцилляций нейтрино в поперечном потоке вещества была предсказана в работах А. Студеникина несколько лет тому назад. До этого считалось, что спиновые осцилляции нейтрино могут возникать только за счет взаимодействия нейтрино с поперечным магнитным полем. Проведенные исследования раскрывают новые фундаментальные свойства нейтрино. Результаты по теории осцилляций нейтрино, полученные Артемом Поповым и Павлом Пустошным, проливают свет на новые ранее неизученные свойства нейтрино. Данные результаты носят фундаментальный характер, а также важны для дальнейшего развития теории распространения и осцилляций нейтрино в присутствие вещества и магнитных полей. Последний из указанных аспектов представляет большой интерес для описания нейтринных процессов в экстремальных внешних условиях, которые реализуются в астрофизических условиях. Например, при взрыве сверхновых звезд.

О важности полученных результатов наглядно свидетельствует тот факт, что доклады А. Попова и П. Пустошного, содержащие полученные ими результаты, включены в программы двух крупнейших международных конференций: 1) XXVIII International Conference on Neutrino Physics and Astrophysics (Heidelberg, Germany, 49 June, 2018) и 2) XXXIX International Conference on High Energy Physics (Seoul, Korea, 411 July 2018).

Артемом Поповым и Павлом Пустошным являются участниками группы МГУ в крупнейшем международном нейтринном проекте класса «мегасайенс» ДЖУНО (Jiangmen Underground Neutrino Observatory, JUNO), который реализуется в Китае. В настоящее время членами проекта являются 71 организации (более 350 ученых) из 15 стран. Возглавляет группу МГУ в проекте А. Студеникин, который входит в руководящие органы проекта.

Нейтринный детектор эксперимента JUNO — 20 килотонный жидкий сцинциллятор, находящийся на глубине почти 700 метров под землей — самый большой в мире, обеспечит рекордную точность определения важнейших параметров, характеризующих свойства нейтрино. Начало сбора данных — 2021 год, период работы детектора не менее 25 лет.

Главной целью исследовательской программы мегапроекта ДЖУНО является определение параметров осцилляций нейтрино при детектировании потоков нейтрино от реакторов и от Солнца. В число приоритетных задач мегапроекта также входит исследования потоков нейтрино, которые могут достигать детектор при взрыве сверхновых.

Жидкостинцилляционный нейтринный детектор ДЖУНО

(20 килотонн, R = 40 m, 700 m под землёй)

В этой связи представляются очень важными результаты Артема Попова и Павла Пустошного по развитию теории осцилляций нейтрино в плотных сред и магнитных полях, что может быть использовано для моделирования распространения нейтрино в реальных условиях сверхновых и для предсказания потока астрофизических нейтрино в детекторе ДЖУНО.

Другим важным вкладом Артема Попова и Павла Пустошного в подготовку мегапроекта ДЖУНО является их работа по подготовке МГУ к участию в обработке экспериментальных данных, которые будут поступать после начала детектирования потоков нейтрино в данном эксперименте. На летние месяцы запланирована также командировка Артема Попова и Павла Пустошного в Китай для проведения технических работ непосредственно на месте подготовки эксперимента.

Александр Студеникин, профессор кафедры теоретической физики, директор Научно-образовательного центра «Лаборатория физики нейтрино и астрофизики имени Б.М. Понтекорво» физического факультета МГУ, член Научного совета РАН «Физика нейтрино и нейтринная астрофизика», член Совета международного нейтринного проекта ДЖУНО (Китай) — руководитель группы МГУ в проекте

Назад