Международная коллаборация ученых эксперимента NA61/SHINE в ЦЕРН произвела измерения спектров частиц, распады которых приводят к образованию мюонных нейтрино и антинейтрино, в релятивистских столкновениях протонов с ядрами углерода. Данные, полученные на уникальной установке, позволяют в три раза повысить точность предсказания спектров и потоков нейтрино и антинейтрино в эксперименте по измерению параметров осцилляций этих частиц T2K (Япония). Активное участие в работе международной группы приняли ученые Санкт-Петербургского государственного университета.

Нейтрино — самые загадочные из известных элементарных частиц. Существует три сорта нейтрино: электронное, мюонное и тау. Особенностью этих частиц является их способность на лету «перетекать» из одного состояния в другое. Электронное нейтрино, зарегистрированное в одном детекторе, может, пролетев сотни километров, провзаимодействовать в другом детекторе уже как нейтрино другого сорта — мюонное или тау. Этот эффект называется осцилляциями нейтрино. За его экспериментальное подтверждение в 2015 году была присуждена Нобелевская премия по физике.

Ученые предполагают, что помимо этого необычного свойства нейтрино, вероятно, имеет еще одно: оно может оказаться так называемым майорановским фермионом, то есть частицей, которая является своей же античастицей (антинейтрино). Однако для проверки этой гипотезы «нобелевские» эксперименты Super-Kamiokande и SNO не подходят, так как они используют «природные» источники нейтрино (ядерные реакции внутри Солнца и столкновения космических лучей с атмосферой Земли), в которых ученые не могут контролировать ни сорт, ни количество получаемых частиц. Поэтому нейтрино, как и антинейтрино, следует изучать в лабораторных условиях.

Самый простой способ создать поток нейтрино в лабораторных условиях — задействовать ускорители элементарных частиц. Когда ускоренный до почти световой скорости протон сталкивается с атомным ядром, его энергия переходит в рождение десятков или даже сотен элементарных частиц, большинство из которых нестабильны и через какое-то время распадаются — в том числе на нейтрино. Эксперимент T2K как раз и представляет собой такую лабораторию по производству и детектированию нейтрино. Пучок протонов из ускорителя J-PARC в Японии сталкивается с углеродной мишенью, далее происходит фокусировка частиц, которые способны породить нейтрино. Получившийся поток нейтрино преодолевает 295 километров под земной поверхностью и попадает в детектор Super-Kamiokande, где по изменению количества частиц можно судить о величине осцилляций, то есть о том, какое количество нейтрино изменило свой сорт за время полета.

В ходе работы на эксперименте T2K исследователи столкнулись с проблемой, которая требовала кардинального решения. Так как осцилляции происходят очень редко, для конечного результата крайне важно знать первоначальное число рожденных нейтрино и их энергии, а для этого необходимо максимально точно измерить количество частиц, породивших нейтрино, и их энергии. До последнего времени ученые не обладали данной информацией, в связи с чем приходилось пользоваться только модельными предсказаниями. Именно поэтому коллаборация T2K обратилась к эксперименту NA61/SHINE в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) — единственному эксперименту, способному измерить спектры частиц в области энергий, используемых T2K.

«Коллаборация NA61/SHINE, участниками которой мы являемся, повторила часть эксперимента T2K: с Суперпротонного синхротрона ЦЕРН был взят пучок протонов с той же энергией, что использует T2K на ускорителе J-PARC, и изучались столкновения с полной копией углеродной мишени T2K, — рассказывает руководитель лаборатории физики сверхвысоких энергий (LUHEP) СПбГУ Григорий Феофилов. — С помощью уникального спектрометра, в проектировании и строительстве которого приняли активное участие ученые Санкт-Петербургского университета, удалось получить данные о вероятностных распределениях количества частиц в зависимости от угла вылета и энергии, то есть измерить спектры частиц, порождающих нейтрино. Эти результаты уже сегодня позволяют эксперименту T2K отказаться от использования предсказаний теоретических моделей, которые часто не соответствуют действительности, и увеличить точность предсказания спектров и потоков нейтрино и антинейтрино примерно втрое».

Благодаря данным, полученным в ходе измерений, исследователям удастся более детально изучить феномен нейтринных осцилляций. Сегодня это одна из самых актуальных тем современной физики элементарных частиц. Ученые предполагают, что, получив больше информации о нейтрино, они смогут объяснить, почему мир состоит из материи, а доля антиматерии в нем ничтожно мала, ответить на вопросы об образовании Вселенной и даже приподнять завесу тайны темной материи.

Подробнее о результатах исследования читайте в статье Measurements of π ± , K ± , Λ and proton production in proton–carbon interactions at 31 GeV/c with the NA61/SHINE spectrometer at the CERN SPS, The European Physical Journal С.