Детектор OPERA
В Афинах завершилась международная научная конференция "Нейтрино-2010", и сразу вслед за тем в СМИ стали появляться многочисленные сообщения о поразительных открытиях в области физики нейтрино – одной из самых удивительных элементарных частиц. Правда, сами ученые отзываются об этих сообщениях хотя и с интересом, но одновременно и с некоторой долей скепсиса.
Нейтрино – совершенно удивительные элементарные частицы. Они почти неуловимы – лишь одно нейтрино из миллиардов поглощается, проходя сквозь земной шар. Поэтому, чтобы поймать хотя бы некоторые из них, приходится строить огромные детекторы. Нейтрино бывают трех разных типов – их называют электронными, мюонными и тау-нейтрино. Это разные частицы, принимающие участие в разных реакциях. Поразительно, что в движении нейтрино непрерывно превращаются из одного типа в другой. Это явление получило название нейтринных осцилляций, и как раз с его изучением были связаны наиболее интересные сообщения на конференции «Нейтрино-2010». Например, в европейском эксперименте OPERA впервые удалось непосредственно, а не по косвенными признакам, как прежде, засечь превращение мюонного нейтрино в тау-нейтрино.
Об эксперименте OPERA рассказывает его участник, заведующий сектором физики нейтрино в Объединенном институте ядерных исследований Дмитрий Наумов:
– Пучок нейтрино посылается из Женевы, из ЦЕРНа в Гран-Сассо (Италия), там в подземной лаборатории находится детектор, который называется OPERA. Расстояние между двумя этими лабораториями 730 километров. Большую часть времени нейтрино проводит в земле, когда проходит от ЦЕРНа до Гран-Сассо за 2,5 миллисекунды. Детектор представляет собой «бутерброд» из свинца и фотоэмульсии, имеет длину 20 метров и 100 квадратных метров в поперечнике. Нейтрино взаимодействует в свинце, а продукты этого взаимодействия уже регистрируются фотоэмульсией. Там очень хорошо видны треки родившихся частиц.
Из ЦЕРНа нейтрино вылетает в состоянии так называемых мюонных нейтрино, то есть рождаются эти нейтрино обязательно вместе с рождением мюонов. Это на коротких расстояниях. Но если нейтрино проходит большое расстояние, то так же, как и с волнами на воде, эти волны сложатся в такой фазе и антифазе, что теперь мюонное нейтрино превращается в тау-нейтрино и уже в Гран-Сассо при взаимодействии порождает тау-лептон. Вот такая удивительная трансформация.
Детектор OPERA сделан именно таким образом, чтобы этот тау-лептон увидеть. Это частица, которая живет довольно мало. В детекторе OPERA она пролетит расстояние максимум миллиметр. И при распаде она может дать обычные заряженные частицы, и они будут оставлять свои следы в фотоэмульсии. То есть, у нас был трек тау-лептона длиной доли миллиметра, а потом он изломился и пошел уже в какую-то другую сторону. И вот мы должны увидеть изменение трека размером в несколько микрон на длине детектора в 20 метров.
OPERA отличается по своей концепции от других экспериментов, в которых измеряется уменьшение потока нейтрино за счет осцилляции. А мы видим появление новых нейтрино, и это, конечно, две больших разницы. Одно дело – вы видите то, чего не было в пучке, а другое дело – вы чего-то не досчитываетесь.
Вообще, эксперимент OPERA регистрирует в основном мюонные нейтрино. За счет осцилляции мы ожидаем за пять лет набора статистики увидеть, может быть, около 10 тау-нейтрино. И пока что мы увидели первое тау-нейтрино.
Итак, эксперимент OPERA дал первое прямое наблюдение нейтринной осцилляции. Но сенсацией это не стало – о превращениях нейтрино и раньше было много косвенных данных. Иное дело американский эксперимент MINOS. Он имеет похожую организацию, но его участники сообщили об удивительном расхождении в свойствах нейтрино и антинейтрино. Тут надо упомянуть, что 45 лет назад именно в реакциях с участием нейтрино выяснилось, что зеркальная симметрия между веществом и антивеществом не совсем идеальна. В новом эксперименте, возможно, обнаружено еще более серьезное нарушение этой симметрии, хотя многие специалисты пока относятся к этому сообщению скептически. Рассказывает заведующий лабораторией теории элементарных частиц Института теоретической и экспериментальной физики Михаил Высоцкий:
– Во Вселенной есть частицы, нет античастиц, то есть, какая-то есть антисимметрия. Но, тем не менее, есть некие незыблемые свойства. У частиц и у античастиц массы должны быть строго одинаковы. Но что касается MINOS, они открыли, что у нейтрино и антинейтрино разная масса. Они даже этого не утверждают. Как написано в пресс-релизе, "с вероятностью в 95% эти свойства отличаются". А 95% — это очень мало. Свойство — фундаментальное, говорить о том, что оно нарушено, это надо иметь не 95% вероятность, а надо иметь 99,9995%.
– Но разве это мало – установить с вероятностью 95%, что нарушается фундаментальный физический закон?
– Нет, я с вами не соглашусь. Вот вы сейчас выходите из подъезда и вам говорят, что с вероятностью 5% вам на голову кирпич упадет. Ну и что? Вы пойдете из подъезда или не пойдете? 5% – вроде немного. Может, пойдете? Я бы лично не пошел.
С Михаилом Высоцким соглашается Дмитрий Наумов:
– Параметры осцилляции, которые найдены в эксперименте MINOS в пучке с нейтрино и в пучке с антинейтрино, немного отличаются один от другого, примерно на 40%. Что, если действительно это правда, вообще переворачивает с ног на голову всю картину, потому что в Стандартной модели эти параметры должны быть строго одинаковы. Но, с другой стороны, статистическая точность здесь очень маленькая. В физике часто так бывает, что есть какое-то указание, а потом со временем это все рассасывается. Но потенциально это очень интересный эффект.
– Но зачем же специалисты сообщают о недостаточно надежном результате?
– Чтобы получить деньги на эксперимент, им нужно заявить что-то сногсшибательное, – поясняет Михаил Высоцкий. – К сожалению, этот механизм нездоровый. Но тем не менее все-таки наука – вещь здоровая, поэтому это все будет проверено, не то, что они заявили что-то, им дали денег, и все на этом кончилось. Нет, так как это наука, это будет четко выяснено.
В СМИ регулярно проходят сообщения о явлениях, вроде бы выходящих за рамки Стандартной модели элементарных частиц – этого фундамента современной физики. Можно ли сказать, что на сегодня ученые уже убедились, в неполноте Стандартной модели, в том, что она нуждается, если не в пересмотре, то в расширении? Говорит Михаил Высоцкий:
– Стандартная модель описывает прекрасно все известные на сегодняшний день свойства элементарных частиц, которые надежно проверены на эксперименте. Тут никаких вопросов нет. Но имеется другое, например, космология – вы знаете, что есть проблема темной материи. Вот места для темной материи в Стандартной модели нет. Так что если темная материя есть, то, действительно, Стандартная модель неполна. Да, еще есть частицы, нет античастиц. В Стандартной модели есть некоторый механизм, он очень маленький, он то, что мы наблюдаем, не генерирует. Опять-таки – надо ее расширять. То есть вот в этих местах она «узкая». Но, тем не менее, все что в лабораториях многократно проверено на большой статистике, там Стандартная модель работает прекрасно, никаких отклонений нет.
Дмитрий Наумов добавляет:
– Сейчас, когда люди уже уверены, что Стандартная модель – это правильная теория, как ни странно, опять нейтрино является тем источником, который указывает, что все-таки, наверное, Стандартная модель – не окончательная теория. И одним из указаний на это является то, что масса у нейтрино очень уж маленькая – на семь порядков меньше, чем у электрона. И вот это является тоже одной из загадок, никак не объясняемых Стандартной моделью, и это же является одним из ключей для поиска новой физики, что существует более полная теория, которая бы этот факт как-то объясняла.
