Осциляції нейтрино
Осциляції нейтрино — явище періодичної зміни покоління нейтрино з часом та віддаллю від джерела. Осциляції передбачив Бруно Понтекорво в 1957[1] за умови, що нейтрино мають масу і маси трьох типів нейтрино: електронного, мюонного й тау-лептонного — різні. Експериментально осциляції нейтрино спостерігали в низці дослідів, які проводили вже в XXI столітті. У рамках Стандартної моделі нейтрино є безмасовими частинками, тому для пояснення їхніх осциляцій у Стандартну модель потрібно вносити зміни.
| За межами Стандартної моделі |
|---|
 Теоретичне моделювання даних на великому адронному колайдері: сигнатура бозона Гіґґса при зіткненні протонів, що розпадаються на струмені адронів і електронів |
| Стандартна модель |
|
Докази
|
|
Теорії
|
|
|
Експерименти |
За експериментальне відкриття нейтринних осциляцій Такаакі Каджита та Артур Макдональд отримали Нобелівську премію з фізики за 2015 рік.
Суть явища
Існує три типи нейтрино: електронне, мюонне і тау-лептонне. Нейтрино взаємодіють тільки через слабку й гравітаційну взаємодії, однак народжуються вони в ядерних реакціях, де основну роль відіграє сильна взаємодія, у вигляді квантової суперпозиції усіх трьох поколінь. Якщо маси трьох типів нейтрино відрізняються, то вони розповсюджуються з різними швидкостями. Тому, з часом, потік, який початково складався тільки, наприклад, з електронних нейтрино, може змінитися, частки моюнного і тау-лептонного нейтрино можуть зрости, і експериментально може бути здетектоване нейтрино іншого покоління. Зважаючи на велике значення швидкості світла й на малі віддалі між джерелом та детектором, зміна покоління нейтрино проявляється не як запізнення в детектуванні сигналу, а як інтерференційний ефект, наслідком якого є періодичні коливання ймовірності детектування нейтрино того чи іншого типу.
Експериментальні свідчення
Проблема сонячних нейтрино
Теорія осциляцій нейтрино дозволила вирішити загадку недостатнього потоку нейтрино від Сонця, виявленого Реєм Девісом у 1960-их роках. Ця нестача залишалася незрозумілою до того, як у 2001 році в Нейтринній лабораторії Садбері не було отримано однозначного підтвердження зміни покоління нейтрино. Однак, осциляції сонячних нейтрино за сучасними уявленнями проходять у речовині Сонця й мають механізм, відмінний від описаного (цей механізм отримав назву Ефекта Міхеєва-Смирнова-Вольфенштейна).
В атмосфері
Великі детектори IMB, MACRO, та Каміоканде II спостерігали нестачу у відношенні потоків моюнних а електронних нейтрино при розпаді мюона. Експеримент Супер Каміоканде дав дуже точні вимірювання осциляцій нейтрино в діапазоні енергій від МеВ до кількох ТеВ з базою вимірювань, рівною діаметру Землі.
Реакторні нейтрино
Численні експерименти були присвячені пошукам осциляцій електронних антинейтрино, що виробляються в ядерних реакторах. Зокрема, високоточні спостереження проводилися в рамках експерименту KamLAND, починаючи з 2002 року. У ядерних реакторах утворюються антинейтрино з енергією аналогічною сонячним — кілька МеВ. Віддаль, на якій вимірювалися осциляції, варіювалася від десятків метрів до сотень кілометрів.
Прискорювачі
Найкращі умови для вивчення нейтрино створюють пучки з прискорювачів. Значна частина таких експериментів із пучками нейтрино досліджувала ті ж діапазони енергій, що й для атмосферних нейтрино: ГеВ на віддалях у кілька сотень кілометрів.
31 травня 2010 року INFN та ЦЕРН оголосили спостереження тау-лептона в пучках мюонних нейтрино в ході експерименту OPERA[2]. Детектори експерименту знаходилися в Національній лабораторії Гран-Сассо на віддалі 730 км від женевського нейтринного джерела.
Виноски
- B. Pontecorvo (1957). Mesonium and anti-mesonium. ЖЭТФ 33: 549–551.
- http://press.web.cern.ch/press/PressReleases/Releases2010/PR08.10E.html