Нейтрино — это очень маленькие нейтральные субатомные частицы, которые редко взаимодействуют с обычным веществом и поэтому иногда называются частицами-призраками. Известны три типа (то есть разновидности) нейтрино: мюонные, электронные и тау-нейтрино.

Интересно, что физики обнаружили: во время своего движения нейтрино могут менять свой аромат, что требует, чтобы нейтрино имели малую, но не нулевую массу. Это явление, известное как нейтринная осцилляция, широко исследовалось в последние годы, поскольку его изучение может помочь определить свойства нейтрино.

Эксперимент NOvA, научно-исследовательский проект в области физики элементарных частиц, базирующийся в США, собирает данные с помощью двух нейтринных детекторов , расположенных на значительном расстоянии друг от друга: один находится в Фермиевской национальной лаборатории (Фермилаб) в Иллинойсе, а другой — в лаборатории на севере Миннесоты. В недавней статье, опубликованной в журнале Physical Review Letters , исследователи, участвующие в эксперименте NOvA, представили одни из самых точных на сегодняшний день измерений нейтринных осцилляций.

«Мы поставили перед собой задачу ответить на некоторые из самых важных открытых вопросов в физике: как фундаментальные законы физики приводят к существованию Вселенной, наполненной материей, которую мы видим сегодня, и куда делась вся антиматерия?» — рассказал Phys.org Алекс Химмель, старший научный сотрудник Фермилаба и представитель коллаборации NOvA. «Нейтрино — это уникально чувствительный инструмент для исследования этих вопросов, но их призрачная природа делает их невероятно сложными для изучения».

В своей недавней статье коллаборация NOvA опубликовала результаты измерений нейтринных осцилляций, собранные ими за 10 лет. Эти измерения позволили им более детально изучить, как нейтрино изменяются при перемещении на расстояние в сотни километров.

«Наша главная цель заключалась в наблюдении за тонкими закономерностями в этих колебаниях, которые служат своего рода „кодом“, позволяющим узнать об их фундаментальных свойствах: какой нейтрино самый тяжелый и ведут ли себя нейтрино иначе, чем их антиматериальные партнеры», — сказал Химмель. «Расшифровка этого кода может стать ключом к пониманию развития нашей ранней Вселенной».

Последние достижения эксперимента NOvA

С 2014 года в рамках эксперимента NOvA измеряются нейтрино, образующиеся в ускорителе частиц, расположенном в Фермилабе. Это установка, которая ускоряет частицы до высоких энергий, фокусирует их в пучок, а затем позволяет им распадаться на нейтрино.

«Мы измеряем эти нейтрино с помощью двух детекторов», — пояснила Патрисия Вахле, профессор физики в Уильямсбургском университете и представитель коллаборации NOvA.

«Наш ближний детектор, расположенный на территории Фермилаба, регистрирует пучок сразу после его образования и служит контрольным детектором эксперимента. Наш дальний детектор, напротив, находится более чем в 800 километрах от него, в городе Эш-Ривер, штат Миннесота. К тому времени, как нейтрино достигают нашего дальнего детектора, большинство из них уже превратились в нейтрино другого типа. Мы измеряем, сколько из них превратилось, при каких энергиях и в какой тип они превратились».

Хотя многие детекторы частиц представляют собой очень сложные и изощренные устройства, детекторы, используемые коллаборацией NOvA, относительно просты. По сути, они состоят из пластиковых трубок, заполненных жидкостью, которая излучает свет, когда через нее проходят заряженные частицы.

«Самое важное для нашего детектора — это его масса, — сказал Вахле. — Нейтрино взаимодействуют очень редко. На самом деле, нейтрино от Солнца могут пройти сквозь свинцовый блок длиной в световой год и все равно достичь другой стороны. Для проведения нашего эксперимента у нас есть чрезвычайно мощный источник нейтрино, который излучает импульсы примерно раз в секунду, и детектор массой 14 килотонн (30 миллионов фунтов). Даже при этом нам везет, и мы регистрируем нейтрино в нашем дальнем детекторе примерно один или два раза в день. Вот почему нам необходимо собрать данные за 10 или более лет».

Проанализировав данные, собранные двумя детекторами частиц NOvA в течение 10 лет, исследователи смогли измерить осцилляции нейтрино с поразительной точностью. Например, они смогли определить разницу в массе нейтрино разных ароматов с точностью до 1,5%.

«Достижение такого уровня достоверности с помощью «частиц-призраков», которые практически ни с чем не взаимодействуют, — это огромный экспериментальный успех, — сказал Химмель. — Несмотря на такую ​​точность, природа хранит свои секреты, и у нас пока нет ответов на самые насущные вопросы о природе нейтрино. Для разгадки этих тайн потребуются дополнительные данные, либо от нас самих, либо от предстоящего эксперимента DUNE».

Планы дальнейшего исследования нейтрино

Эксперимент NOvA продолжит сбор данных о нейтринных осцилляциях до начала 2027 года. Его заключительный этап позволит получить дополнительные данные, которые можно будет проанализировать для получения еще более точных измерений нейтринных осцилляций.

«Точные измерения имеют решающее значение при объединении информации из различных типов экспериментов с нейтрино, — сказал Вахле. — Если все глобальные измерения согласуются с высокой точностью, у нас может быть информация, необходимая для ответа на изучаемые нами вопросы. С другой стороны, если различные типы экспериментов начнут демонстрировать даже небольшие расхождения, мы можем открыть нечто за пределами нашей нынешней теории поведения субатомных частиц».

Эксперимент NOvA уже внес значительный вклад в обнаружение и понимание нейтрино, которые относятся к числу наиболее трудноуловимых частиц, обнаруженных на сегодняшний день. После его завершения другие поколения экспериментов продолжат исследование свойств этих «частиц-призраков» с использованием все более совершенного оборудования.

«В Фермилабе проходит эксперимент DUNE , в котором будет использоваться еще более интенсивный пучок нейтрино, преодолевающий расстояние более 800 миль и меняющий свой тип», — добавил Вахле. «Дальний детектор DUNE имеет массу более чем в два раза превышающую массу NOvA и строится глубоко под землей в Южной Дакоте. Второй эксперимент, Hyper-K, строится в Японии. Благодаря DUNE и Hyper-K следующее десятилетие в физике нейтрино обещает быть еще более захватывающим, чем предыдущее».