Ученые в порядке рабочей гипотезы объявили об удивительном наблюдении, которое было сделано при помощи нейтринного детектора «SuperKamiokande». Анализ информации, собранной на протяжении последних 18 лет, показывает, что нейтрино, образующиеся в результате ядерных реакций в ядре Солнца, меняют свою особенность, достигая неосвещенной стороны Земли.
Нейтрино — это «призраки» квантового мира, не имеющие электрического заряда. Их масса чрезвычайно мала, а перемещаются они со скоростью света. Нейтрино настолько слабо взаимодействуют с веществом, что могут пройти сквозь целую планету от одного края к противоположному, ни с чем не столкнувшись. Они способны лишь на слабое ядерное взаимодействие.
Хотя, казалось бы, такие особенности частицы делают ее отслеживание невозможным, физики разработали средства, позволяющие фиксировать прямые столкновения невидимки-нейтрино с земным веществом.
В случае с детектором «SuperKamiokande», огромная шахта, находящаяся под горой в 300 километрах от Токио, была заполнена 50 000 тонн сверхчистой воды, а на стенах шахты разместили тысячи детекторов. Изредка, когда происходит прямое столкновение нейтрино и молекулы воды, образуется электрон высокой энергии или мюон. В результате столкновения частиц возникает эффект Вавилова — Черенкова. Именно эту короткую вспышку электромагнитного излучения и фиксируют датчики. При наличии достаточно большой емкости с водой статистически вероятно, что количество зафиксированных столкновений будет достаточны для создания своего рода «нейтринного телескопа» (хотя, с технической точки зрения, это будет в большей степени не телескоп, а детектор частиц).
Несмотря на то что во Вселенной эти нейтральные частицы имеются в изобилии, в нашем регионе космоса главным источником нейтрино является Солнце.
Существует три различных типа нейтрино, отличающимися своими свойствами: электронный, тау и мюонный. Вследствие причудливости квантового мира нейтрино могут осциллировать, переходя из одного типа в другой. Природа такой осцилляция на протяжении десятилетий являлась предметом многочисленных исследований в области ядерной физики.
Самый удивительный факт касательно ароматов нейтрино состоит в том, что «SuperKamiokande» способен зафиксировать только электронные нейтрино. Долгое время оставалось загадкой, почему в поле зрения детектора попадает намного меньше солнечных нейтрино, чем предсказывает научная модель. Оказывается, электронные нейтрино (присутствие которых приборы способны зарегистрировать) на своем пути сквозь межпланетное пространство осциллируют в мюонные и тау-нейтрино (которые обнаружить невозможно), что объясняет расхождения в цифрах.
Ученые утверждают, что примерно половина электронных нейтрино, энергия которых составляет 2 МэВ и меньше, меняют свою особенность, не достигая Земли. Нейтрино более высоких энергий осциллируют даже чаще. Тенденция такова, что чем выше энергия нейтрино, тем меньше вероятность того, что частица будет обнаружена. Такое странное поведение нейтрино носит название «эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна». Он был открыт в 1986 г. советскими физиками Станиславом Михеевым и Алексеем Смирновым, которые проводили исследования на основе трудов американского теоретика Линкольна Вольфенштейна от 1978 г. Эффект МСВ так же предполагает, что осцилляции происходят и в обратном направлении.
Когда мюонные и тау-нейтрино движутся сквозь нашу планету, они могут взаимодействовать с электронами в составе плотной земной материи. В результате нейтрино могут возвращаться к электронному типу. И похоже, что детектору «SuperKamiokande» удалось зафиксировать этот эффект в действии.
Проанализировав все данные, собранные за 18 лет наблюдений, физики обратили внимание, что в ночную пору количество обнаруженных нейтрино возрастает на 3,2%. Когда та сторона Земли, где находится детектор, не освещена солнцем, частицы, прежде чем попасть в его поле зрения, должны пройти сквозь планету. Днем солнечные нейтрино достигают детектора сразу после того, как преодолеют некоторое расстояние в космосе (и 10-15 км атмосферы). Все указывает на то, что при прохождении сквозь нашу планету мюонные и тау-нейтрино подвергаются воздействию эффекта МСВ.
Тем не менее, исследователи призывают не делать слишком громких заявлений. Статистическая значимость таких выводов не позволяет назвать их открытием, как и не дает оснований считать их окончательным доказательством того, что с нейтрино подвергаются эффекту МСВ. Статистическая значимость результатов исследования составляет 2.7σ — то есть, они представляют интерес для научного сообщества, но открытием считаться не могут. Об открытии можно говорить, лишь когда показатель статистической значимости достигает 5σ. Похоже, для достижения такого коэффициента понадобится детектор побольше.
К счастью, уже планируется строительство «HyperKamiokande», который, возможно, даже сможет использовать изменения нейтринных ароматов для измерения плотности скальных пород.
«Нейтринный детектор “HyperKamiokande” будет в 25 раз больше “SuperKamiokande”, что позволит нам получать намного больше данных, — говорит Дэвид Уорк, специалист по изучению нейтрино из Оксфордского университета (не участвовавший в данном исследовании). — Не уверен, что его размеров хватит для того, чтобы измерить плотность различных слоев Земли с точностью, представляющей интерес для науки, но в любом случае мы будем работать в этом направлении».