В конце года правительство Японии утвердит проект "Гиперкамиоканде" — гигантского черенковского детектора, на котором ученые всего мира будут искать следы распада протона, измерять точную массу нейтрино и пытаться понять принципиальную асимметричность Вселенной. Эти задачи находятся за пределами Стандартной модели и ведут к новой физике. О принципах действия установки и вкладе в нее российских ученых РИА Новости рассказал доктор физико-математических наук, профессор Юрий Куденко, заведующий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН.

Черенковский свет в Японии

"Вещество, из которого созданы мы и весь наш мир, очень стабильно. Почему? Ответ простой: протон, входящий в состав атомного ядра, живет колоссально долго. Представьте, время жизни Вселенной — 14,5х109 лет, протона — 1034 года", — говорит Юрий Куденко.

Распаду протона мешает сохранение так называемого барионного числа, особой характеристики частицы, которая проявляется в квантовом мире. Для протона оно равно единице. Продуктом распада, таким образом, могут быть частицы легче протона, например каон и пион, состоящие из кварков и антикварков, электрон, мюон и их античастицы. Проблема в том, что в таких процессах барионное число не сохраняется.

"В то же время некоторые теоретические модели, расширяющие Стандартную модель, например теория великого объединения, где сильное, электромагнитное и слабое взаимодействия — одна сила, предполагает, что барионное число не сохраняется. Протон может распадаться на позитрон — античастицу электрона — и нейтральный пион", — продолжает ученый.

Предположительно, это можно наблюдать в черенковском детекторе, который представляет собой большую емкость (цистерну), заполненную водой. В молекуле воды есть атомы водорода — один протон с электроном на орбите. Интереснее всего был бы процесс распада протона на позитрон и нейтральный пион, который мгновенно превращается в два гамма-кванта. Так как скорость позитрона и частиц в двух электромагнитных ливнях от гамма-квантов выше скорости света в воде (не в вакууме), при их движении в детекторе возникают черенковские фотоны, создающие слабое голубое свечение. Их можно зафиксировать чувствительными фотодетекторами, определить тип частицы и вычислить энергию: в сумме она должна быть равной массе протона. Свечение водного раствора под действием ионизирующего излучения открыл в 1930-е годы Павел Черенков, в то время аспирант Сергея Вавилова, а советские физики Игорь Тамм и Илья Франк объяснили этот эффект, за что все трое спустя два десятилетия удостоились Нобелевской премии. Черенковские детекторы применяют во всем мире в исследованиях по физике высоких энергий, нейтринной физике, астрофизике, а также в других областях науки и техники. В 1983 году черенковский детектор построили в японском Институте исследования космических лучей. Емкость объемом три тысячи тонн размещена в шахте Мозуми в центральной части острова Хонсю. Проект назвали KamiokaNDE — в честь небольшого города Камиока неподалеку от шахты.

Дефицит нейтрино приводит к открытию

"Если вы изучаете какое-то явление, нужно знать фон, на котором оно происходит. В данном случае физический фон при поиске распада протона создают нейтрино, рождающиеся в атмосфере при расщеплении пионов, каонов и мюонов. Они мешают. Когда начали изучать этот фон, обнаружили странность: поток мюонных нейтрино существенно ниже ожидаемого. Это так называемая аномалия атмосферных нейтрино", — объясняет Юрий Куденко.

Чтобы разобраться в этом, а заодно повысить чувствительность эксперимента к распаду протона, ученые построили детектор побольше — "Суперкамиоканде" объемом пятьдесят килотонн.

"По сути, это бочка высотой и диаметром 40 метров. В ней можно на лодке плавать. Ее наполняют водой из горных источников, специально очищенной от радона и всевозможных примесей", — уточняет ученый.

На дне, крышке и стенах "бочки" изнутри размещено 11 тысяч фотоумножителей, которые регистрируют энергию заряженных частиц по черенковскому свету. Установка набирала статистику с 1996-го, и уже через два с половиной года эффект дефицита мюонных нейтрино подтвердили. Расчеты указывали на то, что эти частицы осциллируют — превращаются друг в друга с определенной вероятностью. А это возможно, только если у них есть масса. Следует отметить, что дефицит солнечных нейтрино, открытый американским ученым (впоследствии нобелевским лауреатом) Реймондом Дэвисом в подземной лаборатории Хоум-Стэйк и затем подтвержденный в экспериментах SAGE в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, GALLEX в лаборатории Гран-Сассо (Италия) и "Суперкамиоканде", также объяснили осцилляциями в обсерватории Садбери в Канаде в эксперименте с детектором SNO, заполненным тяжелой водой. В 2015 году за это присудили Нобелевскую премию руководителям двух проектов: Такааки Кадзита ("Суперкамиоканде") и Артуру Макдональду из нейтринной обсерватории Садбери (Канада). Почему научное сообщество так высоко оценило открытие осцилляций нейтрино? Дело в том, что, согласно Стандартной модели, нейтрино — безмассовые частицы и не могут менять свой аромат (переходить друг в друга) в процессе движения со скоростью света, то есть они не смешиваются. Осцилляция — переход одного типа активного нейтрино в другой — означает, что массы нейтрино не равны нулю, хотя и очень малы. Осцилляцию нейтрино в 1957 году предположил советский физик итальянского происхождения Бруно Понтекорво, работавший потом с Владимиром Грибовым. Согласно их гипотезе, разные сорта нейтрино или антинейтрино переходят друг в друга с определенной вероятностью по мере распространения в пространстве от источника рождения. В наши дни эта блестящая догадка получила экспериментальное подтверждение. Исследование осцилляций в более широком толковании свойств нейтрино выходит за рамки Стандартной модели, а крошечная частица одновременно служит инструментом и лабораторией новой физики.

К тайне нейтрино подключают ускоритель

"Хотелось получше все эти явления прозондировать, и придумали ускорительные эксперименты с длинной базой. В ускорителе создается пучок нейтрино и направляется в детектор, расположенный за сотни километров. Эксперимент изначально настраивается на максимальный эффект осцилляций, чтобы проверить, есть ли они. Первый проект опять создали в Японии — K2K: пучок из ускорителя KEK в детектор "Суперкамиоканде" проходил в земле около 250 километров", — продолжает Куденко.

Он с коллегами из ИЯИ РАН участвует в экспериментах в Японии с 1991 года, в проекте K2K — с 2002-го. Основной вклад российских ученых — разработка ближнего нейтринного детектора, размещенного на пути пучка частиц, которые только вылетели из ускорителя и еще не успели осциллировать. Теперь перед "Суперкамиоканде", наряду с изучением атмосферных нейтрино, поиском распада протона, поставили еще одну задачу: получить независимое доказательство того, что нейтрино, родившиеся в протонном ускорителе, осциллируют с параметрами, характерными для осцилляций атмосферных нейтрино. Вскоре это подтвердили в эксперименте K2K.

Физики теряют и находят одну осцилляцию

Вместе с тем ученых занимал вопрос: почему они видят, как мюонные нейтрино (изначально из них состоит ускорительный пучок) переходят в тау-нейтрино, а в электронные — нет.

"Все три типа нейтрино друг в друга переходят, только одного перехода — мюонных в электронные — не видно. Это была большая загадка. Предложили много моделей, которые в основном говорили, что такой осцилляции либо вообще нет, либо она очень мала", — комментирует физик.

В Японии построили протонный ускоритель J-PARС с новым нейтринным каналом высокой интенсивности, настроенный на осцилляционный максимум смещенного от оси чистого пучка мюонных нейтрино и антинейтрино. Российские физики создали новый нейтринный детектор, который входит в комплекс ближнего детектора нейтрино. И эксперимент— теперь он называется T2K (Tokai-to-Kamioka) — с пучком нейтрино из J-PARC в "Суперкамиоканде" обрел вторую жизнь. Довольно скоро, в 2011 году, в эксперименте Т2К обнаружили переход мюонных нейтрино в электронные. Следом этот эффект подтвердили в реакторных экспериментах Daya Bay (Китай), RENO (Корея) и Double Chooz (Франция) и измерили "недостающий" параметр смешивания.

"Стало ясно, что имеются три семейства активных нейтрино, у них есть массы, они переходят друг в друга, то есть смешиваются, и все параметры смешивания отличны от нуля, как и у кварков. При этом нейтрино смешиваются значительно сильнее кварков. Можно предположить, что комбинированная четность — СР-четность, или СР-симметрия — нарушается в нейтринном секторе, как и в кварковом секторе", — говорит физик.

Сахаров ставит условие

CP-симметрия — важнейшее понятие в физике, объясняющее — ни много ни мало — существование Вселенной.

"Наш мир состоит из вещества, антивещества в нем нет. Нет в природе антипротонов, антинейтронов, как только возникает позитрон, он аннигилирует с электроном и исчезает, испуская фотон. Если бы антивещества во Вселенной было столько же, сколько вещества, оно бы все проаннигилировало, мир исчез. Значит, в момент Большого взрыва баланс между веществом и антивеществом нарушился. Примерно на десять миллиардов пар частиц образовался только один неспаренный нуклон или, допустим, кварк. Почему? Неизвестно. Это одна из фундаментальных загадок", — продолжает Юрий Куденко.

Если заменить заряженную частицу античастицей, перейти, условно говоря, в антимир (эта операция обозначается как C) и одновременно изменить координаты на противоположные, то есть перейти в зеркальный мир (это обозначается P), можно проверить, сохраняются ли физические законы при этих преобразованиях. Если да, то СР-симметрия действует, если нет, значит, она нарушается. Так вот, в момент Большого взрыва CP-симметрия нарушилась. Только так наш мир возможен. Это условие сформулировал советский физик, один из отцов водородной бомбы Андрей Сахаров.

"В 1964 году нарушение CP-симметрии обнаружили в распаде каонов в Брукхейвенской лаборатории в США. Авторы открытия получили Нобелевскую премию. Казалось, это объясняет отсутствие антиматерии. Однако детальный анализ показал, что этого недостаточно. И вот сейчас возникла возможность проверить, нарушается ли CP-симметрия на уровне нейтрино. Некоторые модели это допускают", — отмечает ученый.

Что если нейтрино ответственно за то, что антиматерия исчезла сразу после Большого взрыва, позволив возникнуть Вселенной? Понятно, почему этой неуловимой частице посвящено так много проектов, почему государства не жалеют средств на новые установки и развитие нейтринной физики.

"В эксперименте Т2К мы уже начинаем видеть эффект нарушения СР-симметрии в нейтринных осцилляциях. Мюонные нейтрино переходят в электронные не так, как мюонные антинейтрино. Пока эффект подтвержден на уровне двух стандартных отклонений. Это означает, что мы уверены примерно на 95 процентов. Это мало, нужен уровень пять сигма — 99,9999 процента. Тогда открытие будет признано. Пока это воспринимается как указание", — подчеркивает Куденко.

Нейтрино указывает на новую физику

Чтобы повысить достоверность наблюдения, нужно больше статистики. Поэтому ускоритель J-PARС модернизируют, вдвое повышая интенсивность протонного пучка. Вместо "Суперкамиоканде" будет новый гигантский детектор, который позволит регистрировать нейтрино с гораздо большей эффективностью, — "Гиперкамиоканде" массой 260 тысяч тонн, диаметром 74 метра, высотой 60 метров, заполненный сверхчистой водой. Для регистрации распада протона и нейтринных взаимодействий установят 40 тысяч фотоумножителей. Также приступили к модернизации ближнего нейтринного детектора на площадке J-PARC. В этом активно участвуют сотрудники ИЯИ РАН, студенты и аспиранты МФТИ и МИФИ. "Гиперкамиоканде" позволит примерно в десять раз увеличить чувствительность к времени жизни протона и зарегистрировать первые события этого распада или установить предел на время жизни более 1035 лет. Если на "Суперкамиоканде" регистрировали примерно десять нейтринных событий в месяц от ускорителя J-PARC, то на новой установке — в семь-восемь раз больше. Этого должно хватить, чтобы увидеть нарушение CP-симметрии в осцилляциях нейтрино, если оно есть, с достоверностью, превосходящей пять сигма за время набора статистики в течение шести-семи лет. Не менее интересно, если эффекта нет или он не максимальный, считает Юрий Куденко.

"Мяч в любом случае будет на нашей стороне. Нейтринная физика отличается от других областей тем, что эксперимент здесь фактически подсказывает дальнейшее направление мысли. Многие эффекты были обнаружены неожиданно. Мы даже массу нейтрино не знаем точно, только ее верхний предел — два электронвольта, исходя из экспериментов по прямому измерению в бета-распаде трития. Из космологических данных, которые модельно зависимы, получается верхний предел на массу нейтрино 0,15 электронвольта. Из осцилляционных измерений мы знаем только разность квадратов масс и углы смешивания, которые отвечают за вероятность перехода типов нейтрино один в другой. По-прежнему много вопросов. Физика нейтрино — чрезвычайно интересная и непредсказуемая область за рамками Стандартной модели. Это проявление чего-то нового, что мы не осознаем до конца, не можем пока предвидеть и пощупать", — заключает он.

Этот год для проекта решающий. Японское правительство должно одобрить план создания установки. Сейчас в коллаборацию "Гиперкамиоканде" входят около 350 ученых из 16 стран. Работы начнутся в апреле 2020 года, а эксперимент — в 2027-м.