Эксперимент NOvA получил первые — и неожиданные — результаты с пучком антинейтрино

Рис. 1. Участники конференции Neutrino 2018 в главном зале конгресс-центра в Гейдельберге. Фото из официального твиттера конференции

В начале июня в Гейдельберге прошла крупнейшая конференция в области нейтринной физики. На ней были представлены важные результаты многих нейтринных экспериментов. Одним из главных событий стал доклад коллаборации, работающей на установке NOvA. Их измерения фундаментальных параметров нейтринных осцилляций не очень согласуются с результатами других экспериментов.

В начале июня в немецком Гейдельберге состоялась XXVIII Международная конференция по нейтринной физике и астрофизике (Neutrino 2018) — крупнейшая конференция в области нейтринной физики, проходящая раз в два года. В этом году в ней участвовало около 800 ученых. Большинство «нейтринщиков» готовят результаты именно к этой конференции, чтобы представить их широкому кругу специалистов и лично обсудить с коллегами. Все особенно ждали результатов от экспериментов, которые работают в самых «горячих» точках этой области физики. И они не заставили себя ждать. Важные и неожиданные результаты представила коллаборация эксперимента NOvA: его измерения фундаментальных параметров нейтринных осцилляций расходятся с данными других экспериментов. Еще одним важным событием этой конференции стало сообщение коллаборации MiniBooNE о том, что они продолжают регистрировать повышенное количество нейтринных осцилляций, что можно толковать как указание на существование стерильных нейтрино.

Но обо всем по порядку.

Нейтринные осцилляции

Одна из главных задач современных нейтринных экспериментов — изучение нейтринных осцилляций — периодические изменения вида, к которому принадлежит нейтрино, при движении в пространстве. Это явление хорошо известно и определяется самой природой частиц. За открытие нейтринных осцилляций была присуждена Нобелевская премия по физике в 2015 году.

В Стандартной модели известно о трех видах нейтрино — электронном, мюонном и тау (на физическом жаргоне эти виды называют «ароматами»). Неожиданным оказалось то, что эти — разные — нейтрино могут смешиваться и менять свою «видовую принадлежность». Чтобы описать этот процесс, удобно представлять нейтрино, как суперпозицию других частиц — так называемых «массовых» нейтрино. Их тоже три типа, они характеризуются разной массой и носят условные названия 1, 2 и 3. При распространении в пространстве «массовые» нейтрино приобретают разные скорости из-за разной массы: в потоке легчайшие частицы двигаются быстрее, а самые тяжелые — медленнее. Поэтому состав «массовых» частиц меняется при движении, что вызывает и изменение вида («аромата») нейтрино. Например, если изначально был рожден пучок мюонных нейтрино, то после прохождения какого-то расстояния в этом пучке появляются электронные и тау-нейтрино (рис. 2). Кварки, кстати, обладают аналогичным свойством.

Рис. 2. Нейтрино представляет собой суперпозицию «массовых» нейтрино 1, 2 и 3 и это играет роль при движении частицы. Из-за разных значений масс нейтрино 3 на этом рисунке запаздывает по сравнению с нейтрино 1 и 2, из-за чего суперпозиция меняется. Разные суперпозиции отвечают разным видам («ароматам») нейтрино. Таким образом, если, например, изначально в потоке были только мюонные нейтрино, то через какие-то расстояние в потоке появятся еще электронные и тау-нейтрино. Рисунок с сайта www-hep.physics.wm.edu

Надо отметить, что хотя сами «массовые» нейтрино невозможно наблюдать, регистрация нейтринных осцилляций, фактически, подтвердила, что такое теоретическое описание верно отражает реальность.

Этот процесс очень похож на обычные колебания и имеет две важные характеристики — амплитуду осцилляций, которая определяется углами смешивания θ₁₂, θ₁₃, θ₂₃ (они также связывают массивные и ароматные нейтрино), и период осцилляций, который определяется разностями квадратов масс нейтрино. Кроме этого, в вероятности осцилляций входит еще один параметр, отвечающий за нарушение CP-инвариантности у лептонов — фаза δ_CP, который характеризует величину CP-нарушения. Таким образом, изучая осцилляции нейтрино, можно измерять эти фундаментальные параметры.

За физику нейтрино уже было получено четыре Нобелевские премии, но открытых вопросов остается еще очень много. Так что перед нейтринными экспериментами стоят следующие задачи: определение природы нейтрино — это частицы Дирака (нейтрино и антинейтрино — разные частицы) или частицы Майораны (нейтрино и антинейтрино — одна и та же частица), измерение массы нейтрино, поиск экзотических состояний — например, тяжелых (с массами много больше ТэВ) и стерильных нейтрино, которые взаимодействуют только через гравитационное или какое-то пока неизвестное взаимодействие. Осцилляционные эксперименты занимаются измерением в некотором роде уже классических и известных величин, которые в то же время являются важными параметрами, характеризующими одну из фундаментальных частиц природы.

Главные задачи в физике нейтринных осцилляций — определение иерархии масс, фазы нарушения CP-инвариантности в лептонном секторе, а также прецизионное измерение всех параметров осцилляций, в том числе угла смешивания θ₂₃, который известен сейчас с наименьшей точностью. Чем точнее будут измерены параметры осцилляций, тем больше ограничений это будет накладывать на существующие теории (например, теории происхождения масс нейтрино), поскольку в большинстве из них предсказываются какие-то математические равенства между параметрами осцилляций (так называемые правила сумм, см., например, статьи A. Damanik, 2018. Neutrino mass sum-rule и J. Gehrlein et al., 2016. Predictivity of neutrino mass sum rules).

Иерархия масс нейтрино — это порядок расположения «массовых» нейтрино на шкале масс. Две массы — m₁ и m₂ — расположены очень близко и достаточно хорошо изучены (см. KamLAND Collaboration, 2002. First Results from KamLAND: Evidence for Reactor Anti-Neutrino Disappearance), а третья масса, m₃, отстоит достаточно далеко (рис. 3). При этом неизвестно, в какую сторону она отстоит: больше ли она масс m₁ и m₂ (это называют нормальным порядком) или меньше их (обратный порядок).

Рис. 3. Вопрос о порядке расположения масс нейтрино — один из самых важных в физике нейтринных осцилляций. Возможны два варианта: нормальный (слева) и обратный (справа). Цветами показаны разные ароматы нейтрино. Рисунок с сайта neutel11.wordpress.com

Эксперименты с атмосферными нейтрино чувствительны к величине разностей квадратов масс нейтрино, но недостаточно чувствительны к иерархии масс. В ряде теорий это играет достаточно важную роль, например, в моделях, описывающих происхождение масс нейтрино (так называемый «механизм качелей», см. Seesaw mechanism), в физике сверхновых (там, где описывается прохождение нейтрино через слои звезды), в теории безнейтринного двойного бета-распада, с помощью которого ученые пытаются понять природу нейтрино (частицы ли это Дирака или Майораны). В случае обратной иерархии мы уже сейчас буквально на пороге необходимой чувствительности, а в случае нормальной иерархии ситуация другая — потребуется еще много лет кропотливой работы (рис. 4).

Рис. 4. Предсказываемые области для поиска безнейтринного двойного бета-распада для случаев нормальной (красная область) и обратной (зеленая область) иерархии масс. Значения эффективной массы (математическая конструкция, зависящая от масс нейтрино 1, 2, 3 и параметров смешивания, см. S. M. Bilenky et al., 2004. Majorana neutrino masses, neutrinoless double beta decay, and nuclear matrix elements) в теории безнейтринного бета-распада зависят от иерархии масс нейтрино и массы легчайшего нейтрино. В случае, если у «массовых» нейтрино обратная иерархия, ученые уже сейчас очень близко к предсказываемым значениям. Серыми полосами показаны области параметров, которые были исключены предыдущими измерениями. Рисунок из статьи M. Mitra et al., 2012. Heavy Sterile Neutrinos and Neutrinoless Double Beta Decay

Фаза СР-нарушения в лептонном секторе (δ_CP) — фундаментальный параметр, который может помочь в объяснении барионной асимметрии Вселенной через лептогенезис. В этой теории в ранней Вселенной асимметрия «частица-античастица» появилась у лептонов, а затем перешла в барионный сектор. Согласно условиям Сахарова (см. статью В. Рубакова и Б. Штерна «Сахаров и космология») для возникновения асимметрии необходимо нарушение CP-инвариантности — именно здесь и проявляется роль δ_CP. В этом вопросе много неопределенностей, так как модели лептогенезиса тесно связаны с моделями появления масс нейтрино и фазой СР-нарушения. Разумеется, одного измерения δ_CP будет недостаточно для ответа на вопрос о барионной асимметрии, но, опять же, его можно использовать для отсеивания теорий. А если когда-то наступит определенность и в объяснении механизма происхождения масс нейтрино, и в значении фазы δ_CP, то можно будет уже делать выводы о происхождении барионной асимметрии.

Эксперимент NOvA

Осцилляционные нейтринные эксперименты можно разделить по типу источника нейтрино. Природные (атмосферные, солнечные) нейтрино изучаются или изучались на Байкальском нейтринном телескопе и установках IceCube, Super-Kamiokande, Borexino, SNO, искусственные (реакторные, ускорительные) — на установках Daya Bay, T2K, NOvA.

Ускорительных нейтринных экспериментов сейчас работает всего два: T2K в Японии и NOvA в США. Их задачи очень похожи: изучение нейтринных осцилляций, а именно — исчезновение мюоннных и появление электронных нейтрино.

Для измерений в эксперименте NOvA используется пучок нейтрино от ускорителя NuMI, который находится в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (Фермилабе, рис. 5). Нейтрино производятся так: сначала пучок протонов разгоняется в ускорителе до энергии 120 ГэВ, затем он выводится на мишень — графитовую пластину толщиной 1,2 м. В результате взаимодействия протонов и вещества мишени чаще всего рождаются π- и К-мезоны. Эти частицы продолжают двигаться в направлении изначального пучка в распадный канал. Самый вероятный распад мезонов происходит на пару «лептон + нейтрино». Так получается почти чистый поток мюонных нейтрино (с небольшой примесью электронных нейтрино).

Рис. 5. Схема эксперимента NOvA, в котором изучается поток мюонных нейтрино из Фермилаба. Дальний детектор находится на расстоянии 810 км от места рождения нейтрино. Пока частицы преодолевают это расстояние, в пучке появляются нейтрино других ароматов. Рисунок из доклада S. Yu, 2018. Latest Neutrino Oscillation Results from NOvA

Чтобы регистрировать состав пучка в начале и в конце пути, в эксперименте используются два детектора. Ближний находится на расстоянии 1 км от мишени (для измерения пучка до осцилляций), дальний — на расстоянии 810 км. Детекторы в физике нейтрино представляют собой грандиозные сооружения из-за очень слабого взаимодействия частиц с веществом (рис. 6). Ближний детектор эксперимента NOvA имеет размеры 15×4×4 м и весит 300 тонн, дальний детектор — размеры 60×15×15 м, а весит 14 000 тонн. Оба детектора имеют ячеистую структуру, заполненную жидким сцинтиллятором с примесью органических масел.

Рис. 6. Детекторы эксперимента NOvA в сравнении с человеком и Аэробусом А380 — самым большим пассажирским самолетом в мире на данный момент. Слева направо: дальний детектор, ближний детектор, прототип детекторов (использовался перед запуском эксперимента для предварительных измерений). Рисунок с сайта en.wikipedia.org

Новые результаты

Если в коллайдерах накопленная статистика измеряется с помощью светимости, то в ускорительных экспериментах по осцилляциям нейтрино все определяется интенсивностью исходного протонного пучка. Поэтому измеряют эту статистику исходя из количества протонов, провзаимодействовавших с мишенью эксперимента, это величины порядка 10²⁰.

Эксперимент NOvA работает с пучком нейтрино и антинейтрино — это необходимо для того, чтобы измерить CP-нарушение. За три года работы в дальнем детекторе:

• с интегральной статистикой 8,85×10²⁰ протонов, сброшенных на мишень, в пучке нейтрино было найдено 58 событий-кандидатов \(\nu_\mu\rightarrow\nu_e\) и 113 событий \(\nu_\mu\rightarrow\nu_\mu\),
• с интегральной статистикой 6,91×10²⁰ протонов, сброшенных на мишень, в пучке антинейтрино было найдено 18 событий \(\bar\nu_\mu\rightarrow\bar\nu_e\) и 65 событий \(\bar\nu_\mu\rightarrow\bar\nu_\mu\) (это первые данные NOvA с антинейтринным пучком).

Совместный анализ этих спектров наложил следующие ограничения на параметры осцилляций: предпочтительна нормальная иерархия масс нейтрино, δ_CP = 0,17π, \(\sin^2\theta_{23}=0{,}58\pm0{,}03\), \(\Delta m^2_{32}=m_3^2-m_2^2=2{,}51^{+0{,}12}_{-0{,}08}\times10^{-3}\) эВ².

Как эти результаты соотносятся с результатами других экспериментов?

Все существующие результаты свидетельствуют в пользу нормальной иерархии масс нейтрино. Однако достоверность этих данных не высока: по отдельности значимость результатов экспериментов NOvA и T2K составляет порядка 2σ. Глобальный анализ данных всех экспериментов, сделанный, например, группой из Валенсии, дает результат около 3σ для нормальной иерархии (P. F. De Salas et al., 2018. Status of neutrino oscillations 2018: 3σ hint for normal mass ordering and improved CP sensitivity).

А значение параметра δ_CP получилось довольно неожиданным. Дело в том, что абсолютно все эксперименты отдают предпочтение значению СР-фазы около 1,5π, то есть максимальному СР-нарушению в лептонном секторе. А у NOvA получился результат, близкий к 0, — то есть СР-нарушение отсутствует. Однако, стоит отметить, что область 3π/2 отвергается на достаточно низком уровне значимости (около 1σ).

Что касается угла θ₂₃, то полученное значение оказалось больше 45°, а с уровнем достоверности 2,3σ значение θ₂₃ = 45° вовсе исключается, что тоже не сходится с результатами других экспериментов: T2K дает θ₂₃ ≈ 45°, а последний анализ данных эксперимента MINOS — θ₂₃ < 45° (рис. 7).

Рис. 7. Сравнение всех результатов нейтринных ускорительных экспериментов на конференции Neutrino 2018. На рисунке представлены контуры допустимых значений параметров \(\sin^2\theta_{23}\) и \(\Delta m^2_{32}\) с 90% уровнем достоверности для нормальной иерархии, показанные экспериментами NOvA, T2K и MINOS. График из доклада S. Dolan, 2018. The latest results from T2K. To δ_CP and Beyond

Коллаборация провела исследование причин, по которым получились такие значения. Новые данные с антинейтринным пучком «оттягивают» значения δ_CP и θ₂₃ в несколько неожиданные области, в то время как данные с пучком нейтрино остаются в привычных значениях (рис. 8). Правильная стратегия работы эксперимента в таком случае — продолжать набирать данные с пучком антинейтрино, до тех пор, пока статистические ошибки измерений не станут существенно меньше.

Рис. 8. Данные эксперимента NOvA в канале появления электронных нейтрино и сравнение с предсказываемыми значениями числа событий. Горизонтальная ось — предсказываемое значение количества событий в режиме с пучком нейтрино, вертикальная ось — количество событий с пучком антинейтрино. Эллипсы — это предсказываемые значения для разных случаев иерархии масс (оранжевые — обратная иерархия, голубые — нормальная иерархия) и значения θ₂₃ (выше диагонали — > 45°, ниже диагонали — < 45°), метки на эллипсах — разные значения фазы δ_CP. График из обсуждаемого доклада

Neutrino 2018: широкий контекст

Доклад NOvA был одним из ключевых докладов по нейтринным осцилляциям, но, разумеется, не единственным. Много времени на конференции Neutrino 2018, конечно же, уделялось будущим экспериментам в осцилляционной физике, особенно гигантам T2HK, DUNE, Hyper-Kamiokande, JUNO и другим. Все они — улучшенные модификации действующих сейчас экспериментов и нацелены на получение окончательных результатов по упомянутым выше вопросам.

В ближайшие годы, а именно до 2025 года, в отдельных экспериментах планируется измерение всех осцилляционных параметров с точностью до процентного уровня, а фазы СР-нарушения и иерархии масс — на уровне до 3σ.

Интересные результаты стоит ожидать и от экспериментов по поиску стерильных нейтрино (sterile neutrino) — гипотетической разновидности нейтрино, которые взаимодействуют с обычным веществом только через гравитацию. На этой конференции в нескольких докладах утверждалось о наблюдении сигнала, который можно трактовать как свидетельство в пользу этой гипотезы. В частности, эксперимент MiniBooNE (также расположенный в Фермилабе) продолжает «видеть» повышенное число осцилляций \(\nu_\mu\rightarrow\nu_e\) с достаточно высокой значимостью (порядка 4,8σ), что можно рассматривать как проявление существования стерильных нейтрино и их осцилляций с «ароматными» нейтрино.

Эксперимент MiniBooNE был создан для проверки результатов эксперимента LSND, который одним из первых получил такие результаты почти 20 лет назад. Совместный анализ результатов MiniBooNE и LSND дает значимость существования стерильных нейтрино выше 6σ — это очень серьезное утверждение. В свою очередь, для проверки результатов MiniBooNE был создан эксперимент MicroBooNE (тоже в Фермилабе) и его данные в следующие годы смогут пролить свет на результаты MiniBooNE и LSND. Также отечественный эксперимент DANSS после года набора данных со значимостью 3σ получил отличные от нуля параметры смешивания для 4-го стерильного состояния. Анализ большей статистики DANSS и результаты эксперимента MicroBooNE могут поставить точку в вопросе существования стерильных нейтрино.

В этом году начинает полноценный набор данных эксперимент KATRIN, который будет измерять массы нейтрино, исходя из формы спектра бета-распада трития. Экспериментальная физика в этой области постепенно входит в эру все более точных измерений. С нетерпением будем ждать его первых результатов.

На самом деле каждый доклад на конференции Neutrino 2018 был интересен даже не только результатами, а еще и будущими перспективами. Следуя уже сложившейся традиции, к следующей конференции из этой серии, которая пройдет в 2020 году, появятся еще более интересные результаты, а в некоторых вопросах наконец-то будет поставлена точка.

Источник:
Mayly Sanchez (от имени коллаборации NOvA). NOvA Results and Prospects // Доклад на конференции Neutrino 2018. DOI: 10.5281/zenodo.1286758.

О других результатах в физике и астрофизике нейтрино см. также:
1) Получены первые намеки на эффект Михеева–Смирнова–Вольфенштейна при движении нейтрино сквозь Землю, «Элементы», 03.04.2014.
2) Нейтринная астрофизика делает первые шаги, «Элементы», 20.11.2015.
3) Циклотронное излучение открывает новые возможности для измерения массы нейтрино, «Элементы», 29.04.2015.
4) IceCube окончательно доказал реальность астрофизических нейтрино, «Элементы», 27.05.2014.
5) Многоканальные наблюдения установили источник высокоэнергетичного нейтрино, зарегистрированного IceCube, «Элементы», 17.07.2018.

Людмила Колупаева