Нейтрино

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 304↑

08.10.2003 Хронометраж

50:00

Стенограмма эфира

Можно ли взвесить нейтрино? Что это за частица, кем и когда она была открыта? Почему вопрос о массе нейтрино является одним из центральных в физике? Об экспериментах по поиску массы нейтрино в β-распаде трития — физики Владимир Лобашев и Семен Герштейн.

Участники:

Владимир Михайлович Лобашев — академик РАН

Семен Соломонович Герштейн — академик РАН

Обзор темы:

Когда эта частица впервые появилась в физике, ученые уже твердо знали, что существуют такие элементарные частицы, как нейтроны и протоны — «кирпичики», составляющие атомное ядро. Нейтрон не имеет электрического заряда, и по этой причине он получил такое название.

В 1931 г. известный швейцарский физик Вольфганг Паули пришел к выводу, что в природе должна существовать еще одна нейтральная частица с массой, намного меньшей, чем у нейтрона, как он говорил, «маленький нейтрон». Когда он излагал эту идею с трибуны одного международного научного совещания, итальянский физик Энрико Ферми перебил его словами: «Называйте его „нейтрино“»!

Дело в том, что по-итальянски уменьшительно-ласкательное окончание «ино» соответствует русским суффиксам «чик» или «ушк». Так что нейтрино в переводе с итальянского будет означать «маленький нейтральный», или просто «нейтрончик». Так нейтрино было изобретено Паули, а окрещено Ферми.

На первый взгляд, нейтрино никакой роли в нашей жизни не играют, хотя через каждый квадратный сантиметр нашего тела ежесекундно проходит несколько миллиардов нейтрино, но мы их не замечаем. Однако без нейтрино не «работало» бы Солнце и звезды, не было бы всего того, что нас окружает, не было бы нас самих.

Вопрос о массе нейтрино — один из центральных в физике. За последние примерно 30 лет было выяснено, как взаимодействуют между собой основные элементарные частицы: лептоны и кварки. Были выяснены переносчики этих взаимодействий. Мы узнали, как взаимодействуют между собой элементарные частицы, как устроено сильное ядерное взаимодействие, слабое и электромагнитное. Чего мы не знали и не знаем до сих пор: как возникают массы у этих частиц. И для ответа на этот вопрос исключительно важно знать массу нейтрино.

Дело в том, что если взять стандартную массу — массу протона, то электрон примерно в 2 тыс. раз, а нейтрино примерно в 1 млрд раз легче, чем протон. Самая тяжелая частица, так называемый t-кварк, открытый в начале 1990-х годов, весит примерно в 200 раз больше протона. То есть спектр масс фундаментальных частиц очень широк, и мы совершенно не понимаем, чем это обусловлено.

Для того чтобы понять, как устроены массы, строятся гигантские суперколлайдсры, с помощью которых надеются найти частицу, называемую хиггсом, благодаря взаимодействию с которой возникают массы у других частиц. И в этом смысле эксперимент по «взвешиванию» нейтрино — узловой.

Современные достижения физики нейтрино представляют интерес прежде всего для физики высоких энергий. То, что у нейтрино есть масса, но она очень мала, свидетельствует о совершенно новых явлениях, которые должны происходить при высоких энергиях, еще недоступных эксперименту. Стало очевидным, что модель физики элементарных частиц и элементарных взаимодействий — Стандартная модель — неполна и надо искать новые явления за ее пределами. В ближайшие 10 лет это будет очень важное направление в физике высоких энергий.

Кроме того, результаты, о которых сегодня шла речь, имеют космологический аспект. Видимо, во Вселенной существуют реликтовые нейтрино, причем суммарная плотность всех типов нейтрино — около 350 частиц в 1 см³. Давно стоит вопрос: какую часть полной плотности вещества во Вселенной составляют нейтрино? Из данных, полученных группой В. М. Лобашева, следует, что плотность нейтрино меньше, чем 10% полной плотности вещества во Вселенной. Значит, 90% вещества во Вселенной — не нейтрино. Что же это такое? Исследования первичного нуклеосинтеза показывают, что плотность других известных частиц — протонов и нейтронов — во Вселенной тоже небольшая — меньше 5%. Итак, более 85% вещества во Вселенной составляют неизвестные нам сегодня частицы. Получается, что физики открыли множество разнообразных частиц и сами же обнаружили: Вселенная состоит не из них, а из чего-то совершенно неизвестного. Открытие этих частиц, выяснение их свойств — замечательная задача. Есть надежда, что она будет решена в обозримом будущем.

В общем, аналогичные эксперименты уже отчасти проводились, но результаты дали несколько иные. 5 июня на крупной международной конференции «Нейтрино 98» в японском городе Такаяма уже было объявлено, что у нейтрино есть масса. Для того чтобы заметить крошечную массу нейтрино, японским физикам пришлось построить детектор «Супер-Камиоканде» стоимостью в сто миллионов долларов и упрятать его в старой шахте для добычи цинка на глубине больше километра под горой Икена в Японских Альпах. Громадный цилиндрический детектор содержит 12,5 миллионов галлонов сверхчистой воды, окруженной тысячами специальных приборов — фотоумножителей, которые могут регистрировать свет. Возникает он вот откуда: нейтрино летят с огромной энергией и те, что налетают на атомы воды, выбивают из них тоже весьма «энергичные» электроны. А эти частицы пронизывают воду и испускают излучение Вавилова — Черенкова. Вот его-то и регистрируют фотоумножители. В гигантском цилиндре за день наблюдается пять — шесть нейтринных взаимодействий.

Нейтрино в установку прилетали как сверху, рождаясь во взаимодействиях космических лучей с атмосферой, так и снизу — из-под Земли. Из-за слабости взаимодействия с веществом толща нашей планеты для большинства частиц из потока нейтрино — не преграда. По соображениям симметрии поток нейтрино «сверху» и «снизу» должен быть одинаков — атмосфера ведь везде одна и та же, как и поток космических лучей. Но те, что возникли «снизу», должны еще лететь до установки более 12 тысяч километров. Экспериментальный результат состоит в том, что «снизу» в установку поступало в два раза меньше нейтрино, чем сверху. Это может значить лишь одно: по пути к детектору сквозь Землю часть нейтрино «поменяла сорт» и установка их «не видит» — она настроена лишь на электронные нейтрино. А такое превращение по пути, как говорилось, возможно лишь, если у нейтрино есть масса. Поэтому делается вывод о ее наличии. Ради объективности стоит отметить, что подобные поиски начались более двадцати лет назад. Самый известный результат — обнаружение массы у нейтрино в начале восьмидесятых годов московскими экспериментаторами из Института теоретической и экспериментальной физик и под руководством профессора В. А. Любимова. Опыты были невероятно сложны, а чувствительность так высока, что измерения приходилось проводить ночью, чтобы их не искажали искры от трамвайных дуг. Позднее оказалось, что результат был неправильным, но он пробудил колоссальный интерес во всем мире к поискам массы нейтрино. До этого задача казалась неразрешимой, а москвичи тогда показали, что можно и нужно пробовать. И вот через двадцать лет этот поиск увенчался успехом.

Это открытие имеет беспрецедентное значение не только для физики элементарных частиц, но и для космологии. Хотя обнаруженная масса нейтрино ничтожно мала — в десять миллионов раз меньше, чем у электрона, — этих частичек невероятно много в космосе (в 50 миллиардов раз больше, чем электронов), и они могут составлять значительную часть всей Вселенной, а значит и определять ее судьбу. Масса Вселенной в таком случае оказывается так велика, что современное ее расширение через много миллиардов лет сменится сжатием и она стянется в точку. Открытие массы нейтрино очень важно для современной теории частиц, называемой Стандартной моделью. Она содержит свод правил, по которым частицы взаимодействуют друг с другом, а также схемы их устройства. По этой теории у нейтрино массы быть не должно, но в последние годы возникли определенные трудности в объяснении некоторых явлений и вновь найденная масса позволит расширить рамки нынешней модели. «Эта удивительная находка может стать ключом к поискам Святого Грааля физики — Единой Теории Всего, — подчеркнул на конференции физик из университета на Гавайях Джон Лернд. — Раз в жизни доводится участвовать в получении столь великих результатов». Нейтрино не участвует в сильных взаимодействиях, склеивающих протоны и нейтроны в ядра. А поскольку у него нет заряда, оно безразлично к электромагнитным силам. Поэтому-то нейтрино взаимодействует с веществом крайне слабо: триллионы их пронизывают наше тело за минуту, не оставляя никакого следа. Очень-очень редко одна частичка из огромного потока наталкивается на ядро атома — вот этот след и видят физики-экспериментаторы. Самого же нейтрино, конечно, никто и никогда непосредственно не фиксировал. Всю историю «существования» нейтрино его сопровождают удивительные загадки. Исследователи уже давно пришли к выводу, что есть три разновидности нейтрино — электронное, мюонное и тау-лептонное — каждое названо в честь частицы, вместе с которой оно рождается. Почти четверть века экспериментаторы регистрируют поток нейтрино от Солнца, но получается он у них гораздо меньше, чем предсказывает теория. Эта нехватка стабильно наблюдается на различных установках. Возможным объяснением такого дефицита могла стать осцилляция — превращение одного сорта нейтрино в другое по пути от Солнца к Земле. Но это возможно только в том случае, если у нейтрино есть масса — тогда подобные превращения осуществимы и проблема нехватки устраняется.

Эксперимент, о котором идет речь, дает (если учесть данные других экспериментов) превосходную верхнюю оценку не только на массу электронного, но и на массу других типов нейтрино: мюонного и τ-нейтрино. А это имеет фундаментальное значение как для физики элементарных частиц, так и для космологии. Дело в том, что в экспериментах по детектированию солнечных нейтрино были получены недавно убедительные данные, указывающие на то, что электронное нейтрино может осциллировать, переходя в другие два типа нейтрино.

Гипотеза о возможности нейтринных осцилляции была высказана Б. М. Понтекорво еще в 1957 г. С тех пор поиски нейтринных осцилляции велись в многочисленных экспериментах на реакторах, ускорителях высокой энергии и на мезонных фабриках. Поскольку, однако, расстояние, на котором происходит осцилляция, обратно пропорционально разности квадратов масс нейтрино, обнаружить осцилляцию при этом можно только в экспериментах на достаточно большой базе. В осуществлявшихся до сих пор лабораторных экспериментах расстояние между источниками нейтрино и детекторами оказалось недостаточным для заметного проявления осцилляции. Поэтому они и не были обнаружены. Вместе с тем регистрация солнечных и атмосферных нейтрино происходит на очень большой базе, что и обусловливает возможность обнаружения осцилляции в этих опытах.

Гипотеза о том, что происходит осцилляция солнечных (электронных) нейтрино, высказана около 40 лет назад, когда в первых экспериментах по детектированию солнечных нейтрино хлор-аргонным методом было обнаружено, что поток электронных нейтрино в 2,53 раза меньше расчетного. Поскольку в хлор-аргонном эксперименте регистрировались только нейтрино достаточно высокой энергии, составляющие незначительную часть общего потока нейтрино, наблюдаемый дефицит солнечных нейтрино этих энергий можно было отнести и за счет неточности принятой «стандартной» модели Солнца. Однако эксперименты по детектированию основного потока солнечных нейтрино галлий-германиевым методом (предложен В. А. Кузьминым), проведенные в Баксанской нейтринной обсерватории под руководством Г. Т. Зацепина и в подземной лаборатории в Италии, доказали, что дефицит в потоке солнечных нейтрино не может быть объяснен какой-либо моделью Солнца.

Доказательством осцилляции солнечных нейтрино явились совместные данные японской установки Суперкамиоканда и запущенной более года назад канадской установки SNO, содержащей 1000 т тяжелой воды D₂O. Дело в том, что мюонные и τ-нейтрино (в которые частично переходят электронные нейтрино), будучи неспособными вызвать реакции превращения Cl → Ar и Ga → Ge, могут, согласно Стандартной модели элементарных частиц, рассеиваться на электронах, передавая им часть своей энергии, а также вызывать расщепление дейтерия на протон и нейтрон. Число наблюдаемых в указанных установках электронов отдачи по сравнению с числом реакций, вызываемых одними только электронными нейтрино, полностью согласуется (в пределах статистических ошибок) с гипотезой осцилляции нейтрино и стандартной моделью Солнца.

Из факта существования осцилляции нейтрино следуют, по крайней мере, два важных вывода. Во-первых, как было показано В. Н. Грибовым и Б. М. Понтекорво, нейтрино должны иметь ненулевую массу покоя. Это указывает на необходимость дальнейших экспериментов в попытке обнаружить массу электронного нейтрино (или установить более низкий предел на ее величину). Во-вторых, поскольку из экспериментов по поискам осцилляции следует, что Δm² < 10⁻³ эВ², масса мюонного и τ-нейтрино не может существенно превышать предел, установленный для массы электронного нейтрино. А это означает, что мюонное и τ-нейтрино не могут быть носителями наблюдаемой темной массы Вселенной: из космологических оценок следует, что для этого масса «тяжелого» нейтрино должна быть порядка 20 эВ.

Вопрос, почему массы нейтрино столь малы по сравнению с массами соответствующих им лептонов, — фундаментальный в современной физике. Для его решения предложены модели, связывающие наблюдаемые «левые» нейтрино с гипотетическими сверхтяжелыми частицами. Возможно, что взаимодействия, приводящие к осцилляции нейтрино, то есть нарушающие сохранение сублептонного числа (или, иначе, типа нейтрино) приводят также к нарушению барионного числа и комбинированной СР-симметрии, обусловливающих барионную асимметрию Вселенной. Таким образом, изучение нейтринных осцилляций и определение массы нейтрино выводят нас в новую область физических явлений за пределами Стандартной модели.

В связи с этим можно напомнить, что проблема нейтрино сыграла фундаментальную роль в создании современной физики частиц. Именно для объяснения испускания нейтрино в β-распаде Э. Ферми предложил в 1933 г. новый тип взаимодействия (отличающийся от известных в то время электромагнитных и гравитационных). Попытка объяснить с помощью этого взаимодействия ядерные силы (И. Е. Тамм и Д. Д. Иваненко) привела к пониманию различия между «слабыми» взаимодействиями Ферми и ядерными силами, то есть способствовала открытию сильных взаимодействий (X. Юкава). Теоретическая возможность существования спирального (левого) нейрино, предложенная Л. Д. Ландау, А. Саламом, Т. Д. Ли и Ц. Н. Янгом после открытия несохранения пространственной четности, привела в результате ее обобщения к открытию закона универсального слабого взаимодействия. Это, в свою очередь, стимулировало развитие так называемых калибровочных теорий, на основе которых удалось открыть единство электромагнитных и слабых взаимодействий, а также создать современную теорию сильных взаимодействий — квантовую хромодинамику.

Возможно, что именно изучение проблем нейтрино, его массы и осцилляции даст ключ к «новой» физике за пределами Стандартной модели. Важным шагом в этом направлении являются результаты нового эксперимента.

Описание эксперимента В. Лобашева. Известные элементарные частицы, испытывающие только электрослабое и, конечно, гравитационное взаимодействие, — лептоны — образуют дублеты, которые объединяют заряженный лептон и нейтральную частицу — нейтрино:

Зараженный лептон Нейтрино

е (0,5 МэВ) ν_e

μ (105 МэВ) ν_μ

τ (1777 МэВ) ν_τ

Частицы, входящие в дублет, являются носителями квантового числа, условно именуемого flavor, или аромат.

Существование трех ароматов — электронного, мюонного и τ-лептонного, называемых по имени заряженного партнера в каждом дублете, — экспериментально установленный факт, который не объясняется так называемой Стандартной моделью. Что касается нейтрино, то при их свободном распространении наблюдались переходы из одного аромата в другие (осцилляции). Идею осцилляций нейтрино — антинейтрино высказал Б. М. Понтекорво в 1957 г., позднее была допущена возможность осцилляции между нейтрино с различными ароматами.

Мы хорошо знаем массу заряженных частиц. Она достаточно велика и изменяется от 0,5 (электрон) до 1777 (τ-лептон) МэВ. Нейтрино в этом отношении представляет исключение. Его масса, как вначале следовало из экспериментальных данных, а теперь — из теории, очень мала, в 10⁹ раз меньше массы наиболее тяжелого заряженного партнера. Казалось бы, столь малые эффекты не должны особенно интересовать физиков, если бы масса нейтрино не была фундаментальной величиной.

Согласно гипотезе Большого взрыва, нейтрино, наряду с реликтовыми фотонами, — самые распространенные частицы во Вселенной. Но если фон реликтовых фотонов исследован с большой точностью, то реликтовые нейтрино все еще остаются «terra incognita». Плотность нейтрино связана с плотностью реликтовых фотонов, поэтому во Вселенной в среднем должно быть около сотни нейтрино каждого сорта в одном кубическом сантиметре. Таким образом, число нейтрино во Вселенной, по крайней мере, в 10⁹ раз превышает число адронов, то есть нуклонов, образующих материю — видимую Вселенную.

Поиск массы нейтрино ведет начало с гипотезы В. Паули о существовании частицы с очень слабым взаимодействием. И первая оценка ее массы была сделана еще в 30-х годах, когда обнаружили тяжелый изотоп водорода — тритий с периодом полураспада 12 лет и малой энергией распада. Существование этого хорошо разрешенного перехода указывало на то, что масса нейтрино должна быть меньше 10 кэВ, то есть на два порядка меньше массы электрона. Дальнейшее уточнение массы нейтрино проводилось посредством измерения формы β-спектра трития. Одну из первых работ выполнили в 1949 г. Б. М. Понтекорво и Г. Ханна с помощью пропорционального счетчика, наполненного тритированным метаном. Они получили верхнюю границу для массы нейтрино в 1 кэВ, что в 500 раз меньше массы электрона. Эта оценка послужила неким указанием на то, что масса нейтрино вообще равна нулю.

Согласно теории двухкомпонентного нейтрино, появившейся в 1958 г., она должна была быть тождественно равна нулю.

Отсутствие теоретической мотивации в тот момент не очень стимулировало дальнейшие поиски массы нейтрино. Тем не менее за 20 лет — с 1950 по 1970 г. — были проведены эксперименты, в которых масса нейтрино оценивалась на уровне 250–50 эВ. Особенно следует отметить работу Е.-К. Берквиста (Швеция), получившего ограничение на массу нейтрино в 50 эВ. В это же время теория универсального слабого взаимодействия дала однозначную интерпретацию формы β-спектра распада радиоактивных ядер, в том числе и трития.

Почему, собственно говоря, был выбран именно тритий для измерения массы нейтрино?

В каком-то смысле тритий — аналог дрозофилы в генетических исследованиях, потому что он обладает уникальными свойствами: малой энергией перехода, простотой получения тритированных соединений, большой надежностью при вычислении атомарных и даже молекулярных эффектов. В этом смысле у трития нет конкурентов.

В 60-х годах гипотеза Понтекорво об осцилляциях нейтрино позволила объяснить дефицит солнечных нейтрино в опытах Р. Дэвиса. Данные, полученные Дэвисом, свидетельствовали о чрезвычайно малой массе нейтрино. Измерения β-спектра трития стали не очень популярными, хотя экспериментаторы настойчиво продолжали улучшать свои установки.

После 1972 г. появление гипотезы объединения всех взаимодействий потребовало, чтобы нейтрино, как всякий фермион, имело хоть какую-то массу. Экспериментаторы начали поиски осцилляции нейтрино, то есть переходов между различными сортами нейтрино — электронным, мюонным и τ-нейтрино. Десятки теоретиков занялись интерпретацией результатов этих экспериментов, но делали при этом весьма разнообразные выводы.

Сегодня можно утверждать, основываясь на данных нескольких самых точных экспериментов, что осцилляции нейтрино есть. Это означает, что у него есть масса. Однако период осцилляции, который зависит от разности квадратов масс нейтрино разных ароматов, оказался очень большим, что соответствует очень малой разности квадратов масс. В то же время, глубина осцилляции, которая дает так называемый фактор смешивания различных сортов нейтрино, близок к 100%. Раз они хорошо смешиваются, то, учитывая, что разность квадратов масс мала, можно сделать такой вывод: нейтрино разных ароматов почти идентичны. Таким образом, основная часть массы нейтрино, общая для разных ароматов, остается неизвестной. С одной стороны, вроде бы масса есть, а с другой стороны, самые точные эксперименты (поиск осцилляции) обнаружить эту массу не могут, поскольку измеряют только разность квадратов масс.

Сегодняшнее значение для разности квадратов масс нейтрино — менее 10⁻³ эВ² при факторе смешивания порядка 100%. Нейтрино разных ароматов как бы вырождены по массе, что делает задачу ее определения чрезвычайно трудной, но и более однозначной, поскольку, изучая свойства одного типа нейтрино, мы получаем сведения и о других типах. Сейчас мы знаем тонкие отличия между нейтрино, но не знаем главного: какова сама масса нейтрино.

Альтернативные подходы к поиску массы нейтрино, например, двойной безнейтринный распад, тоже не могут дать абсолютной величины массы. Поэтому вновь усилился интерес к изучению β-спектра трития и получению массы нейтрино прямым кинематическим методом.

При β-распаде радиоактивного ядра энергия распада делится между новым ядром, электроном и нейтрино. Поскольку ядро значительно тяжелее, основная энергия распада распределяется между электроном и нейтрино в соответствии с законом сохранения момента движения и полной энергии распада. По мере приближения к границе β-спектра (максимальной энергии электронов) энергия нейтрино должна уменьшаться вплоть до точки, где эта частица имеет нулевую кинетическую энергию (в нерелятивистском приближении) и ненулевую массу (если она есть). Важно при этом, что тритий в этом отношении — совершенно уникальный объект, его распад — своеобразная лаборатория низкоэнергетических нейтрино.

Единственным конкурирующим элементом может быть рений-187, но при его β-распаде возникает ряд обстоятельств, не позволяющих использовать такое преимущество, как меньшая, чем у трития, граничная энергия.

Измерение формы β-спектра выполняется на самых его концах, соответствующих минимальной энергии нейтрино. Можно наглядно представить β-спектр трития, если при изображении выделить зону — фрагмент спектра вблизи верхней границы энергии, содержащий информацию о массе нейтрино.

Если она не равна нулю, то β-спектр здесь обрывается, не доходя на величину массы до максимальной энергии. Последняя может быть определена из формы остальной части β-спектра.

Относительная часть β-спектра, которая дает эффект массы, очень мала. Например, чтобы измерить массу 10 эВ, надо обнаружить дефицит интенсивности электронов в конце спектра на уровне 2,9 · 10⁻¹⁰ полной интенсивности β-спектра, массу 1 эВ — уже 10⁻¹³. Задача определения массы нейтрино в каком-то смысле эквивалентна поиску редких распадов, но с выделением искомого эффекта только по форме спектра. На то, чтобы выделить конец β-спектра в наиболее чистом виде, спектроскописты затратили более 50 лет.

Зависимость тритиевого спектра вблизи граничной точки от массы нейтрино выражается множителем, который представляет собой фазовый объем, занимаемый нейтрино в импульсном пространстве, тогда как полная энергия β-распада уходит к электрону. Чем меньше энергия нейтрино, тем чувствительнее форма конца спектра к возможной массе. Следует также отметить, что при анализе формы β-спектра измеряемой вели чиной является квадрат массы нейтрино. Это означает, что, сравнивая разные эксперименты и оценивая возможную чувствительность, мы должны сравнивать именно квадрат массы.

В 1980 г. случился, как можно сказать, «обвал» в физике нейтрино. Исследователи из Института теоретической и экспериментальной физики, проведя измерения на созданной ими уникальной для того времени установке, заявили, что форма β-спектра трития соответствует наличию массы нейтрино около 30 эВ (квадрат массы 900 ± 150 эВ²). Эти результаты тщательно анализировались, но до получения первых результатов новых экспериментов не было уверенности, что в нем содержится какая-то ошибка. В 1980–1981 гг. было выдвинуто около 20 предложений новых экспериментов, из которых до конца были доведены только три. Они исключили эффект массы нейтрино на уровне квадрата массы 70–150 эВ². И только после экспериментов Цюрихской группы, группы Токийского университета и Лос-Аламосской национальной лаборатории эффект ненулевой массы был опровергнут.

Можно примерно представить на схеме результаты поиска массы нейтрино с 1990 по 2002 г. В уже упомянутых первых трех экспериментах в Цюрихе, Токио и Лос-Аламосе (1991–1992) ошибка квадрата массы составляла 75–100 эВ², тогда как начиная с 1994 г. ошибки были уменьшены до 4,3–2,2 эВ². Последние по времени результаты, полученные в Троицке и в Майнце, соответствуют дефициту интенсивности в спектре почти 10⁴ раз меньшему, чем в эксперименте Института теоретической и экспериментальной физики.

Значительно улучшилось энергетическое разрешение спектрометров. Огромный рост точности экспериментов — следствие работы, которая выполнена в Институте ядерных исследований в Троицке и параллельно (по утверждению авторов эксперимента) независимо в Университете Майнца. Этого удалось достичь благодаря применению нового типа β-спектрометра и источника трития, которые позволили войти в область точностей квадрата массы нейтрино порядка 1–2 эВ².

В 1982 г. возникла идея использовать бутылкообразную магнитную ловушку, поместив источник трития с одной ее стороны (в пробке) в область максимального поля, а детектор электронов — с другой. Электроны, перемещающиеся в неоднородном, плавно меняющемся магнитном поле, находятся в состоянии так называемого адиабатического движения. При этом энергия поперечного движения, обусловленная ларморовской циркуляцией электрона вокруг магнитной силовой линии, становится почти равной нулю вблизи минимума магнитного поля. Точнее, она равна энергии электрона, умноженной на отношение магнитных полей в центре магнитной бутылки к максимальному значению поля в пробке. В этом случае взаимодействие с электрическим полем, производимым в центре бутылки цилиндрическим электродом, на который подается отрицательный потенциал, позволяет отсечь от детектора электроны, имеющие энергию ниже потенциала этого электрода с точностью нескольких электронвольт. если отношение магнитных полей в центре бутылки и в пробке достаточно велико. Электроны с энергией больше потенциала цилиндрического электрода ускоряются и регистрируются детектором — полупроводниковым кремниевым счетчиком.

Благодаря тому, что конфигурация магнитного поля обеспечивает везде адиабатическое движение, детектор «видит» только те электроны, которые родились на магнитных силовых линиях, пересекающих его поверхность. Если трубка потока, образуемого этими силовыми линиями, нигде не касается стенок прибора, то электроны, рожденные на стенках, не могут попасть в детектор. Именно это позволило в электростатическом интегральном спектрометре избавиться от фона, связанного с ионной бомбардировкой стенок, неизбежной в чисто электростатическом варианте. П. Н. Спивак потратил семь лет на то, чтобы получить низкофоновые условия в электростатическом спектрометре и в конце концов отказался от этого.

Проанализировав его опыт, можно в дальнейшем прийти к заключению, что магнитное поле обеспечит как низкий фон, так и хорошее разрешение.

Установка нового типа была создана в Троицке и получила название — «Троицк ν-масс». В ней используется электростатический спектрометр интегрального типа. Сверхпроводящие соленоиды создают продольное магнитное поле. Отношение напряженности в минимуме и в максимуме поля определяет разрешение спектрометра. В нашем случае разрешение составляет 3,5 эВ. К тому же форма β-спектра простая и хорошо интегрируемая. В принципе, на подобной установке можно получить разрешение 1 эВ. Сама установка по масштабам физики высоких энергий небольшая, но ряд проблем, связанных с ее созданием, бросает вызов искусству экспериментатора.

Для того чтобы исследовать спектр с точностью несколько электронвольт, необходимо иметь источник, в котором отсутствуют какие-либо окна. Наличие сильного магнитного поля на входе в спектрометр, позволяющего транспортировать электроны адиабатически на значительное расстояние, решает эту проблему. Источник представляет собой трубу диаметром 3 м. в середину которой инжектируется газообразный тритий. Труба находится в сильном продольном магнитном поле, и электроны транспортируются по ломаной узкой трубке диаметром всего 20 мм вплоть до спектрометра, где анализируются интегральным методом.

Чтобы избежать попадания трития в спектрометр (это было бы полной катастрофой), используется принцип последовательной дифференциальной откачки. После каждого ломаного участка узкой трубки имеется зазор, через который диффузионный насос откачивает тритий, причем выход каждого насоса подсоединен на вход предыдущего. Таким образом, даже при трех дифференциальных ступенях откачки удается получить фактор уменьшения давления трития порядка 10⁷.

Дальше с помощью крионасоса, представляющего собой аргон, намороженный на холодную поверхность криостата, давление трития снижается еще на шесть порядков. Весь этот откачиваемый тритий проходит гетерные блоки очистки (эти блоки созданы сотрудниками ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара). Далее очищенный тритий снова инжектируется в трубу, то есть идет непрерывная циркуляция.

Хочу отметить, что в спектрометре парциальное давление трития меньше, чем в галактическом пространстве. Благодаря последовательной схеме дифференциальной откачки удается получить парциальное давление трития порядка 10¹⁸ Торр. Достичь такого давления трития совершенно невозможно параллельной откачкой.

Стоит обратить внимание, что сверхпроводящая часть установки изготовлена в институте, где работает В. Лобашев, и успех этого дела в значительной степени связан с развитием в нашей стране технологии получения сверхпроводящего провода. Его качество превосходит то, что делается ныне за рубежом. Особенно важно, что для работы удалось получить гелиевый рефрижератор фирмы «Зульцер» с турбодетандерами на газовой подушке. Эта машина надежно работает на протяжении уже 15 лет.

Другой вариант спектрометра разработан за рубежом в Университете города Майнц. Его создание началось в 1986 г., тогда как нашего — в 1982 г.

Спектрометр в Майнце меньше нашего в два раза, в результате чего возникла масса проблем как с фоном, так и с источником, в качестве которого использовался намороженный тритий. Оказалось, что намороженный тритий способен заряжаться и искажать функцию разрешения спектрометра. К тому же испарение трития порождает фон в спектрометре. Был сделан дополнительный магнитный тракт для установки в Майнце, который позволил удалить источник от спектрометра и тем самым устранить в значительной степени фон. Так невольно в ходе разработок в нашей стране мы вырастили себе конкурента, но можно считать необходимым сотрудничество ученых.

Преимущества нового подхода заключаются в увеличении разрешающей способности и светосилы установки. В начале, сравнили аппаратурные функции энергетического разрешения, полученные на установке «Троицк ν-масс» и в эксперименте 1980 г. Института теоретической и экспериментальной физики. Если в последнем разрешение составляет около 20 эВ (ширина на полувысоте), причем функция разрешения имеет длинные хвосты, связанные с рассеянием электронов в спектрометре, то в нашем случае функция разрешения — это линейная ступенька шириной 3,5 эВ, которая задается отношением магнитных полей на входе и в середине спектрометра.

Светимость определяется как регистрируемая в спектрометре часть телесного угла вылета электронов при распаде, умноженная на площадь источника. В установке «Троицк ν-масс» эта величина на два-три порядка больше, чем в предыдущих экспериментах. Именно этим, а также возможностью энергетического анализа, который исключает высокоэнергетичные хвосты функции разрешения, обусловлен скачок в чувствительности установки к массе нейтрино. Газовый безоконный источник также имеет преимущество как перед намороженным, так и перед источником на базе тритированной органики, поскольку позволяет точно учесть поправки к спектру.

Заметим: при анализе спектра необходимо учитывать, что распад в молекулярном тритии идет в дочернюю молекулу. У этой молекулы около 200 возбужденных состояний, и переходы на них идут с меньшей энергией, искажая β-спектр. К сожалению, найти способ экспериментального измерения возбужденных состояний дочерней молекулы трития сегодня не представляется возможным, так что приходится довольствоваться теоретическими расчетами. Однако для свободной молекулы в газовом источнике теория дает достаточно точную поправку.

В настоящее время группа В. Лобашева располагает результатами измерений квадрата массы нейтрино в разных сеансах на протяжении восьми лет. Однако чистое время измерений составляет примерно год, что связано как с техническими, гак и финансовыми трудностями. При анализе измерений формы β-спектра оказалось, что значительная его часть описывается теоретическим спектром с массой нейтрино, равной нулю, кроме самого конца спектра. Здесь наблюдается некая структура в виде избыточной интенсивности, сдвинутая относительно граничной точки на 5–15 эВ в сторону низких энергий. На графике разница между теоретическим и экспериментальным спектрами, полученная вычитанием одного из другого, напоминает ступеньку. Поскольку спектрометр интегральный, то для того чтобы сравнить его данные с данными дифференциального спектрометра, надо продифференцировать эту ступеньку, и тогда получается, что на этом месте спектра находится бамп. Он имеет ширину, близкую к разрешению спектрометра, и его наличие может означать, что в непрерывном β-спектре появляется некая монохроматическая линия. Она может возникнуть только в результате двухчастичного процесса, а в β-распаде трития, где фигурируют три частицы, ее появление исключено. На первых порах, чтобы избавиться от этой странности, пришлось вводить дополнительные параметры, которые как бы вырезали кусок спектра с бампом. Существенно также, что при обработке экспериментального спектра без учета бампа величина квадрата массы нейтрино получается отрицательной, равной 10–15 эВ. Учет же бампа с помощью двух свободных параметров полностью исключает эффект отрицательной величины квадрата массы нейтрино.

Судя по нашим измерениям, начатым в 1994 г. (см. таблицу), величина квадрата массы нейтрино находится около нуля. В сумме получен предел на массу нейтрино, равный 2,2 эВ при 95%-ной достоверности. На сегодняшний день, это — самая точная оценка массы прямым кинематическим способом. Она оказалась ниже пределов на массу нейтрино, даваемых другими методами, например, при анализе распределения реликтового фотонного излучения. Если полученная масса нейтрино верна, то существенно снизится возможный вклад любого вида (аромата) нейтрино в темную материю Вселенной.

Результаты измерения квадрата массы нейтрино

Год: Квадрат массы, эВ²/с⁴

1994: −2,7 ± 10,1 (фит)* ± 4,9 (сист)

1996: +0,5 ±7,1 (фит) ± 2,5 (сист)

1997: 1) −8,6 ± 7,6 (фит) ± 2,5 (сист); 2) −3,2 ± 4,8 (фит) ± 1,5 (сист)

1998: −0,6181 (фит) ± 2,0 (сист)

1999: +1,6 ± 5,6 (фит) ± 2,0 (сист)

2001: 1) −5,5 ± 6,5 (фит) ± 2,0 (сист); 2) −5,2 ± 6,7 (фит) ± 1,5 (сист)

с 1994 по 2001: −2,3 ± 2,5 (фит) ± 2,0 (сист)

Аномальные структуры, которые наблюдаются в спектре, может быть, представляют самостоятельный интерес, если, конечно, будет доказан их глобальный характер. Другими словами, они должны наблюдаться не на одной, а по крайней мере на двух установках.

Было прослежено положение ступеньки — разницы между теоретическим и экспериментальным спектрами β-распада трития — относительно конца спектра в зависимости от сезонного времени измерений. Оказалось, что в большей части измерений положение этих ступенек хорошо (с точностью 0,5%) соответствует синусоиде с периодом полгода. Такое явление для слабого взаимодействия кажется чрезвычайно странным. Дальнейшие измерения показали, что к полугодовому периоду примешивается годичный. Лишь две точки за все время проведения эксперимента не ложатся на эту кривую, причем оба измерения были выполнены в канун нового года. Удивительно, но три года подряд фиксируются некие аномалии именно в две последние недели декабря. Связан ли этот эффект с движением Земли вокруг Солнца или с аппаратурой, предстоит выяснить.

Можно отметить, что в последних измерениях, проведенных в Университете Майнца, эффект ступеньки не обнаружен. Это может быть вызвано изменением некоторых параметров при обработке спектра, а также худшим энергетическим разрешением установки из-за самозарядки источника. Если все-таки эффект ступеньки будет в дальнейшем подтвержден, то в качестве экзотического объяснения можно рассмотреть возникновение монохроматической линии в спектре в результате двухчастичного процесса.

Таким двухчастичным процессом мог бы быть захват нейтрино тритием с испусканием монохроматического электрона. Этот процесс является обратным по отношению к β-распаду, и его сечение хорошо вычисляется. Если такой процесс происходит, то мы должны наблюдать в конце β-спектра трития монохроматическую линию с энергией перехода примерно 18,6 кэВ. Казалось бы, предложенная гипотеза, хотя и крайне спекулятивная, способна в принципе объяснить то, что мы видим в спектре. Однако, чтобы получить этот маленький пичок, интенсивность которого составляет 10⁻¹⁰ полной интенсивности β-спектра, нужно иметь плотность нейтрино 10¹⁵ в 1 см³. Нейтрино должны быть вырожденными, а их облако ограничено по размерам так, чтобы движение Земли в его пределах создавало модуляции эффекта из-за переменной плотности.

В принципе такое можно допустить, потому что если нейтрино сгруппированы в сгустки, тогда нет проблем с их средней космологической плотностью. Разумеется, чтобы удержать эти сгустки, необходимо специальное взаимодействие для нейтрино. Напомним, что еще Б. М. Понтекорво ставил вопрос о возможности существования сильного нейтрино-нейтринного взаимодействия. Разумеется, такие объяснения сегодня могут рассматриваться как очень экстравагантная гипотеза.

Несколько слов о перспективах. Потенциал новой установки использован всего лишь на 20%. Увеличение эффективности с 20% хотя бы до 50% требует определенных финансовых вложений. Существует также другой проект — проект КАТРИН, который разрабатывается, к сожалению, не у нас, а в Германии, в исследовательском центре Карлсруэ. Это увеличенная копия маленькой установки «Троицк ν-масс». Новая установка включает спектрометр с сосудом диаметром 7 м. В результате разрешение можно увеличить до 1 эВ (у нас — 3,5 эВ), а светимость, по сравнению с установкой «Троицк ν-масс», — почти в 50–70 paз. Источник тритиевых электронов, конечно, будет представлять собой гораздо большее сооружение, чем то, что было у нас, однако его создание по силам современной технологии. В таком спектрометре парциальное давление трития должно составлять 10²⁰ Торр, что на два порядка меньше, чем галактический вакуум. С помощью последовательной дифференциальной откачки эти условия в принципе могут быть достигнуты.

Библиография

Арбузов Б. А. Открытие самой тяжелой частицы // Соросовский образовательный журнал. 1996. № 9

Герштейн С. С. Загадки солнечных нейтрино // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 8

Козик В. С., Любимов В. А., Новиков В. Е. и др. Об оценке массы ν_е по спектру β-распада трития в валине // Ядерная физика. 1980. Т.32. № 1

Лобашев В. М., Спивак П. К. К вопросу об измерении массы покоя антинейтрино // Препринт ИЯИ АН СССР. М., 1983

Лобашев В. М. Измерения массы нейтрино в бета-распаде трития // Вестник Российской академии наук. 2003. Т. 73. № 1

Михеев С. П., Смирнов А. Ю. Резонансные осцилляции нейтрино в веществе // Успехи физических наук. 1987. Т.153. № 1

Окунь Л. Б. Лептоны и кварки. М., 1982

Окунь Л. Б. Физика элементарных частиц. М., 1988

Belesev A. I., Bleule A. I., Geraskin E. V. et al. Results of the Troitsk experiment on the search for electron antineutrino rest mass in tritium beta-decay // Phys. Lett. 1995. B.350

Bergkvist R. E. A high-luminosity, high-resolution study of the end-point behaviour of the tritium β-spectrum // Nucl. Phys. 1972. B.39

Lobashev V.M., Aseev V.N., Belesev A. I. et al. Direct search for mass of neutrino and anomaly in the beta-spectrum // Phys. Lett. 1999. B.460

Weinheimer Ch., Degen A. et al. High precision measurement of the tritium beta-spectrum near its end-point and upper limit on the neutrino mass // Phys. Lett. 1999. B.460

Тема № 304

Эфир 08.10.2003

Хронометраж 50:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz