Сотрудники ОИЯИ — лауреаты премии Breakthrough Prize 2016
8 ноября 2015 года на торжественной церемонии в Силиконовой Долине были объявлены лауреаты престижной научной премии — Breakthrough Prize 2016 в фундаментальной физике. Ими стали все участники пяти экспериментов Daya Bay, KamLAND, Super-Kamiokande, SNO и T2K/K2K за исследования нейтринных осцилляций. Объединенный Институт Ядерных Исследований принимает активное участие в эксперименте Daya Bay, открывшем в 2012 году ненулевое значение угла смешивания нейтрино θ13. Лауретами премии со стороны ОИЯИ стали участники эксперимента Daya Bay: М.О.Гончар, Ю.А. Горнушкин, Д.В.Наумов, И.Б.Немченок, А.Г.Ольшевский — а также Е.А.Якушев (KamLAND), В.А.Матвеев и Б.А.Попов (T2K).
Премия Breakthrough Prize, присуждаемая за достижения в фундаментальной физике, науках о жизни и математике, была учреждена в 2012 Сергеем Брином и Анной Войчицки, Джеком Ма и Кэти Чжан, Юрием и Юлией Мильнер, Марком Цукербергом и Присциллой Чан и является самой большой премией, присуждаемой за исследования в этих областях науки. Дополнительная информации о Breakthrough Prizes доступна по адресу breakthroughprize.org/.
Как известно, существование нейтрино было предложено в 1930 году для объяснения непрерывного спектра энергии электронов в радиоактивных распадах ядер. Впервые электронное антинейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году в эксперименте Ф. Райнеса и К. Коуэна с реакторными антинейтрино. В 1962 году Л. Ледерман, М. Шварц и Дж. Штейнбергер в ускорительном эксперименте доказали существование еще одного типа этой частицы — мюонного нейтрино. Третий тип — тау-нейтрино - был экспериментально открыт в 2000 году в эксперименте DONUT.
В конце 1960х Рэй Дэвис поставил серию экспериментов по детектированию солнечных нейтрино, чтобы проверить теорию о том, что энергия Солнца происходит за счет выделения энергии в реакциях ядерного слияния. Солнечные нейтрино действительно были найдены, но их оказалось в три раза меньше, чем ожидалось согласно расчетам.
Этот результат был встречен научным сообществом с сомнением. Теоретические расчеты были многократно повторены и ошибок в них не было найдено. Дэвис перепроверил каждый этап своего измерения и настаивал на правильности экспериментального результата. После эксперимента Дэвиса последовали новые эксперименты: Super-Kamiokande в Японии, советско-американский эксперимент SAGE, проводимый в Баксанской лаборатории, GALLEX в Италии, SNO в Канаде. Все они также наблюдали дефицит солнечных электронных нейтрино. Несмотря на первоначальные сомнения в правильности результата эксперимента Дэвиса, выдающийся физик Б.М. Понтекорво, работавший в Дубне, предположил, что наблюдаемый результат может быть проявлением эффекта нейтринных осцилляций — перехода одного типа нейтрино в другой, предложенного им еще в 1957 году. В конечном итоге, он оказался прав.
В 1998 году эксперимент Super-Kamiokande сообщил о подтверждении нейтринных осцилляций. Измерив поток мюонных нейтрино, рождающихся во взаимодействии космических протонов, бомбардирующих атмосферу Земли, физики обнаружили, что число нейтрино, приходящих из под Земли примерно в два раза меньше, чем число нейтрино детектируемых сверху. Хорошим объяснением такого наблюдения было предположение о том, что мюонные нейтрино, проходящие большее расстояние, успевают видоизмениться за счет осцилляций сильнее по сравнению с нейтрино, приходящими сверху. Однако, детектор Super-Kamiokande не был способен подтвердить, что из-за осцилляций нейтрино действительно появляются новые типы этих частиц.
|
|
|
Рис. 1. Детектор Super-Kamiokande заполнен 50 000 тонн сверхчистой воды, просматриваемой 11146 фотоумножителями. |
Прямым и однозначным подтверждением осцилляций стал эксперимент SNO, в котором была возможность регистрировать как электронные нейтрино, так и суммарный вклад всех трех типов нейтрино. Действительно, SNO подтвердил, что электронных нейтрино приходит меньше, чем следует в отсутствие осцилляций. При этом, суммарное число нейтрино всех типов оказалось в хорошем согласии с теорией.
Важным для понимания картины осцилляций солнечных нейтрино стал также эффект изменения осцилляционных параметров в присутствии вещества, который был предложен С.П.Михеевым, А.Ю.Смирновым и Л.Вольфенштейном, и который теперь называется по их именам - эффектом MSW.
|
|
|
Рис 2: Детектор SNO заполнен тысячей тонн тяжелой воды. Это позволило SNO регистрировать взаимодействия нейтрино всех трех типов. |
Результаты SNO были подтверждены и уточнены в эксперименте с реакторными антинейтрино. Детектор KamLAND был заполнен жидким сцинтиллятором для измерения потока антинейтрино от окружающих его реакторов, находящихся в среднем на расстоянии порядка 200 км. KamLAND обнаружил дефицит антинейтрино, имеющий периодическую зависимость от переменной L/E, где L — расстояние от реактора до детектора, а E — энергия антинейтрино, что хорошо согласуется с гипотезой нейтринных осцилляций.
|
|
|
Рис 3: Детекторный комплекс KamLAND (Япония). |
В этих экспериментах были измерены два из трех углов смешивания θ12, θ23 и две разности квадратов масс. Однако, белые пятна еще оставались. Одной из центральных проблем стал вопрос о величине угла смешивания между первым и третьим поколениями нейтрино θ13. Решить эту задачу поставили своей целью ускорительные (T2K, MINOS) и реакторные (Daya Bay, RENO, Double Chooz) эксперименты.
Указания о существовании осцилляций мюонных нейтрино в электронные, говорящие о, вероятно, ненулевом угле смешивания θ13, были получены в 2011 году в ускорительных экспериментах T2K/K2K, где пучки мюонных нейтрино направлялись в детектор Super-Kamiokande.
Однако, первым экспериментом, обнаружившим ненулевое значение угла смешивания θ13 на уровне достоверности, превышающем пять стандартных отклонений стал эксперимент Daya Bay. На сегодняшний день этот же эксперимент имеет и самое точное измерение угла θ13. Результаты T2K, MINOS, RENO, Double Chooz — хорошо согласуются с измерением Daya Bay.
|
|
|
Рис. 4. Восемь детекторов такого типа были использованы в эксперименте Daya Bay. |
Таким образом, оказались измеренными все три угла смешивания нейтрино и нейтринные осцилляции, пройдя путь от одной из экзотических гипотез, объясняющих загадки в нейтринной физике, до надежно изученного явления, прочно заняли свое место среди физических эффектов, реализованных в Природе.
Сотрудники ОИЯИ внесли существенный вклад в достижение результата эксперимента Daya Bay. В его трехзонных детекторах используются два типа жидких сцинтилляторов — с добавлением гадолиния и без него. Группа ОИЯИ внесла значительный вклад в разработку состава и исследовании свойств обоих сцинтилляторов, а также участвовала в разработке технологической схемы их производства. Одновременно с этим ОИЯИ обеспечил поставку 2,5-дифенилоксазола (РРО), сцинтилляционной добавки, без которой невозможно было изготовление 380 тонн жидких сцинтилляторов, ставших основой детекторов Daya Bay. Для реализации этого группой ОИЯИ в сотрудничестве с Институтом сцинтилляционных материалов Национальной Академии Наук Украины было организовано производство РРО на Шосткинском заводе химических реактивов (Украина), что позволило изготовить и поставить в Китай 1500 кг этого важнейшего компонента жидких сцинтилляторов эксперимента Daya Bay.
|
|
|
Рис. 5. На сегодняшний день параметры нейтринных осцилляций измерены в экспериментах с атмосферными, ускорительными, солнечными и реакторными нейтрино. |
Кроме того, физики ОИЯИ вносят существенный вклад в анализ экспериментальных данных. Группа ОИЯИ разрабатывает собственное программное обеспечение и методы анализа данных эксперимента Daya Bay и является одной из 4-х независимых групп, занимающихся осцилляционным анализом данных эксперимента. Главные результаты эксперимента Daya Bay были получены при активном участии физиков ОИЯИ.
Нейтринные осцилляции являются “горячей темой” в физике элементарных частиц, астрофизике и космологии. Нобелевская Премия по физике 2015 года была присуждена именно за открытие нейтринных осцилляций. Это уже четвертая Нобелевская Премия, посвященная этой удивительной частице, а в этом году нейтринные осцилляции отмечены и другой престижной премией в мире науки Breakthrough Prize.
Несмотря на то, что явление нейтринных осцилляций уже надежно установленный экспериментальный факт, интерес к нейтрино растет и все большее число физиков, включая молодёжь, работает в области нейтринной физики. Для исследования свойств нейтрино планируются все более тонкие и амбициозные эксперименты.
Многие из наиболее важных экспериментов и проектов в нейтринной физике входят в Нейтринную Программу ОИЯИ, в рамках которой в Институте работает большой коллектив физиков, химиков и инженеров. Нейтринная Программа ОИЯИ является самой широкой по охвату тем в физике нейтрино среди всех научных центров мира, поэтому следует ожидать появления в ОИЯИ новых фундаментальных результатов в этой области исследований и в будущем.
Новости лаборатории
