Проблема солнечных нейтрино
ания и
детектором, связанной с зенитным углом. Угловое распределение электроно- и
мюоноподобных событий измерялось в продолжение 1 144 дней детекторного
времени. Это распределение должно быть симметрично относительно верха/низа,
так как вследствие изотропности прихода космических лучей из Вселенной
потоки нейтрино, направленные вверх и вниз, одинаковы. Распределение
электроноподобных событий отвечало ожиданиям, а вот число ?-подобных на
больших зенитных углах оказалось вдвое меньше ожидаемого. Большие углы
соответствуют большим расстояниям прохождения нейтрино через Землю (до 13
тыс. км). Вероятность нейтринной осцилляции, естественно, возрастает с
указанным расстоянием, чем и обусловлена асимметрия ?-подобных событий,
которая служит косвенным доказательством, что нейтрино имеют конечную
массу.
Нейтринные осцилляции можно наблюдать и другим методом. При
взаимодействии жестких ?? , приходящих на детектор снизу, с окружающей
породой образуются мюоны, поток которых, направленный вверх, проходит через
детектор. Правда, туда же приходит и множество космических мюонов, но те
мононаправлены вниз, и поэтому их нетрудно отфильтровать. Детектор MACRO в
тоннеле Гран Сассо (Италия) избирательно чувствителен к мюонам,
направленным вверх. В данных SK и MACRO обнаруживается дефицит мюонов
"вверх" вблизи вертикального направления, тогда как наблюдения
горизонтальных потоков согласуются с ожиданиями. Еще одно доказательство
получено на Soudan-2, детекторе-калориметре с железным заполнением, который
отличается высоким разрешением треков и хорошей идентификацией частиц. Хотя
по сравнению с SK время экспозиции Soudan-2 к настоящему времени меньше
10%, на этом детекторе уже зафиксирована асимметрия вверх/вниз у событий ??
при симметричном распределении ?е.
Таким образом, факт осцилляций атмосферных ?-нейтрино можно считать
установленным. Как обстоит дело с ?е? Самым лучшим источником для изучения
?е осцилляций служит Солнце, в ядре которого идут реакции термоядерного
синтеза. Солнечные нейтрино регистрируются несколькими подземными
детекторами. Первый детектор солнечных нейтрино собран в 1960-х г.г. Р.
Дэвисом в старой шахте Хоумстейк (шт. Юж. Дакота). Его детектор содержал
615 т перхлорэтилена, в котором солнечные нейтрино образуют ядра
радиоактивного аргона. Время от времени аргон извлекался из перхлорэтилена,
где накапливается в виде газа, и количество его определялось низкофоновым
счетчиком. Оно соответствовало скорости образования 0,5 атома/сутки,
примерно, трети значения, вычисленного по Стандартной Модели Солнца (SSM).
Второй эксперимент с солнечными нейтрино проводится на SK, где наблюдаются
в реальном времени ?-е рассеяния (так называют процесс, в котором нейтрино
обдирают атомарные электроны); электроны рассеяния, мононаправленные от
Солнца, отчетливо различаются над фоном. Величина измеренного потока
составляет около половины того, что предсказывает SSM. В двух
радиохимических экспериментах с применением галлия (SAGE и GALLEX),
чувствительных к мягким солнечным нейтрино, дефицит подтвердился на уровне
около 60% SSM.
Этот дефицит, известный под названием "проблемы солнечных нейтрино",
по всей видимости, связан с ?е-осцилляциями, хотя убедительных
доказательств еще нет. Такими доказательствами могли бы стать: 1) искажение
энергетического спектра солнечных нейтрино, 2) характер вариаций потока в
цикле день/ночь и 3) отличие суммарного потока (?е + ?? + ?? ) от чистого
потока ?е. Сейчас проектируются детекторы, рассчитанные на эти возможности.
SK регистрирует солнечные нейтрино по ?-е рассеяниям с беспрецедентно
хорошей статистикой: за три года зафиксировано 15 тыс. событий, их
временные вариации и энергетические спектры. В 1999 г. началось поступление
данных с SNO (Sudbery Neutrino Observatory), черенковского детектора на
1000 т тяжелой воды, расположенного в шахте Садбери (Канада). Теперь SNO
измеряет поток ?е по реакции ?е + D > е- + р + р. По завершении этой стадии
в тяжелую воду поместят MgCl и счетчики 3Не и будут измерять суммарный
поток нейтрино по реакции ? + D > ? + n + p. В Гран Сассо строится детектор
BOREXINO на 300 т жидкого сцинтиллятора для регистрации моноэнергетических
солнечных нейтрино от 7Ве с началом работы в 2001 г. С учетом таких усилий
следует ожидать, что проблема солнечных нейтрино будет решена в не столь
отдаленном будущем.
Подземные детекторы способствовали прогрессу нейтринной физики, но
исходная цель их сооружения была иной. Первоначальным назначением
детекторов с большими массами рабочего вещества было обнаружение распада
протонов, крайне редкого события, предсказываемого теорией Великого
объединения. Однако ни в одном из больших детекторов, построенных за
последние 20 лет, протонного распада не обнаружилось. Видимо, для физики
элементарных частиц и астрофизики на следующем этапе понадобятся детекторы
с еще большими массами.
Таблица
ПОДЗЕМНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НЕЙТРИНО
|Детектор |Тип |Масса или |Страна |
| | |размеры | |
|Супер-Камиоканд|Н2О, |32 тыс. тонн |Япония |
|а |черенковский | | |
|MACRO |треки + |77 х 12 х 9 (м) |Италия |
| |сцинтиллятор | | |
|Soudan-2 |Fe-мишень + |963 т |США |
| |дрейфовая камера| | |
|SNO |D2O, |1000 т |Канада |
| |черенковский | | |
|Хоумстейк |С2Cl4 |680 т |США |
| |,радиохимия на | | |
| |солнечные ? | | |
|GNO |Галлий, |30 т |Италия |
|(GALLEX) |радиохимия на | | |
| |солнечные ? | | |
|SAGE |Галлий, |57 т |Россия |
| |радиохимия на | | |
| |солнечные ? | | |
|Баксан |Жидкий |330 т |Россия |
| |сцинтиллятор | | |
|LVD |Жидкий |700 т |Италия |
| |сцинтиллятор | | |
|AMANDA |Лед, | 200 м* х|Антарктида |
| |черенковский |500 м | |
|Байкал |Озеро, |43 м* х 73 м |Россия |
| |черенковский | | |
|BOREXINO+ |Жидкий |300 т |Италия |
| |сцинтиллятор | | |
|KamLAND+ |Жидкий |1000 т |Япония |
| |сцинтиллятор | | |
* диаметр, + сооружается.
Источник: Science 289, 18.08.00, p 1155.
Sudbury Neutrino Observatory.
Данные с необычной подземной обсерватории помогли ученым разрешить
ключевую тайну Солнца, но подняли новые вопросы о физике элементарных
частиц.
Физики из Канады, США и Великобритании заявили, что первые научные
результаты, полученные в Нейтринной Обсерватории Сэдбери (Sudbury Neutrino
Observatory, SNO), показывают, что Солнце генерирует столько нейтрино,
сколько предсказывается современными моделями, но эти нейтрино приходят на
Землю в разных формах. Результаты были представлены на ежегодной
Конференции Канадской Ассоциации Физиков в г. Виктория (Британская
Колумбия).
Результаты раскрывают одну из беспокоящих тайн современной
астрономии: почему в прошлых экспериментах обнаруживалась только третья
часть нейтрино из общего количества, предсказанного моделями солнечной
физики.
"Мы теперь очень уверены в том, что несоответствие вызвано не
проблемами с моделями Солнца, а изменениями в самих нейтрино, когда они
путешествуют от сердцевины Солнца к Земле," – говорит Art McDonald,
директор SNO.
Чтобы исследовать это, консорциум Канадских, Американских и
Британских университетов разработал Sudbury Neutrino Observatory.
Обсерватория расположена под землей на глубине два километра в никелевом
руднике. Для детектирования используется тяжелая вода – вода, в которой
атомы водорода заменены его более тяжелым изотопом, дейтерием. При
взаимодействии нейтрино с тяжелой водой испускается электрон со скоростью,
большей скорости света в воде. И этот электрон генерирует световое
излучение, называемое Черенковским излучением. Измеряя количество этих
вспышек света, можно определить количество нейтрино.
В отличие от прошлых экспериментов, детектор SNO чувствителен не
только к электронным нейтрино, но и к двум другим типам нейтрино: мюонным и
тау-нейтрино. Данные SNO показывают, что общее число обнаруженных нейтрино
равно предсказанному числу излучаемых Солнцем электронных нейтрино. Таким
образом, часть нейтрино переходит или осциллирует в два других типа
нейтрино во время распространения от Солнца до Земли.
Хотя результаты являются подтверждением исследований солнечных
физиков, но поднимают новы
| |  скачать работу |
Проблема солнечных нейтрино |
