Осциляції нейтрино

За межами Стандартної моделі
Теоретичне моделювання даних на великому адронному колайдері: сигнатура бозона Хіггса при зіткненні протонів, що розпадаються на струмені адронів і електронів
Стандартна модель
Докази Проблема калібрувальної ієрархії Темна матерія Проблема космологічної сталої Порушення CP-інваріантності Осциляції нейтрино
Теорії Техніколор Теорія Калуци — Клейна Теорії великого об'єднання Теорія всього Теорія струн Причинні системи ферміонів Надплинна вакуумна теорія П'ята сила
Суперсиметрія Мінімальна суперсиметрична стандартна модель Теорія суперструн Супергравітація
Квантова гравітація Теорія струн Петльова квантова гравітація Причинна динамічна триангуляція Причинні системи ферміонів Причинні множини Канонічна квантова гравітація Надплинна вакуумна теорія
Експерименти ANNIE Національна лабораторія Гран Сассо INO Великий адронний колайдер SNO Super-K Теватрон NOνA

Осциляції нейтрино — явище періодичної зміни покоління нейтрино з часом та віддаллю від джерела. Осциляції передбачив Бруно Понтекорво в 1957 за умови, що нейтрино мають масу і маси трьох типів нейтрино: електронного, мюонного й тау-лептонного — різні. Експериментально осциляції нейтрино спостерігали в низці дослідів, які проводили вже в XXI столітті. У рамках Стандартної моделі нейтрино є безмасовими частинками, тому для пояснення їхніх осциляцій у Стандартну модель потрібно вносити зміни.

За експериментальне відкриття нейтринних осциляцій Такаакі Каджита та Артур Макдональд отримали Нобелівську премію з фізики за 2015 рік.

Суть явища

Існує три типи нейтрино: електронне, мюонне і тау-лептонне. Нейтрино взаємодіють тільки через слабку й гравітаційну взаємодії, однак народжуються вони в ядерних реакціях, де основну роль відіграє сильна взаємодія, у вигляді квантової суперпозиції усіх трьох поколінь. Якщо маси трьох типів нейтрино відрізняються, то вони розповсюджуються з різними швидкостями. Тому, з часом, потік, який початково складався тільки, наприклад, з електронних нейтрино, може змінитися, частки моюнного і тау-лептонного нейтрино можуть зрости, і експериментально може бути здетектоване нейтрино іншого покоління. Зважаючи на велике значення швидкості світла й на малі віддалі між джерелом та детектором, зміна покоління нейтрино проявляється не як запізнення в детектуванні сигналу, а як інтерференційний ефект, наслідком якого є періодичні коливання ймовірності детектування нейтрино того чи іншого типу.

Експериментальні свідчення

Проблема сонячних нейтрино

Теорія осциляцій нейтрино дозволила вирішити загадку недостатнього потоку нейтрино від Сонця, виявленого Реєм Девісом у 1960-их роках. Ця нестача залишалася незрозумілою до того, як у 2001 році в Нейтринній лабораторії Садбері не було отримано однозначного підтвердження зміни покоління нейтрино. Однак, осциляції сонячних нейтрино за сучасними уявленнями проходять у речовині Сонця й мають механізм, відмінний від описаного (цей механізм отримав назву Ефекта Міхеєва-Смирнова-Вольфенштейна).

В атмосфері

Великі детектори IMB, MACRO, та Каміоканде II спостерігали нестачу у відношенні потоків моюнних а електронних нейтрино при розпаді мюона. Експеримент Супер Каміоканде дав дуже точні вимірювання осциляцій нейтрино в діапазоні енергій від МеВ до кількох ТеВ з базою вимірювань, рівною діаметру Землі.

Реакторні нейтрино

Численні експерименти були присвячені пошукам осциляцій електронних антинейтрино, що виробляються в ядерних реакторах. Зокрема, високоточні спостереження проводилися в рамках експерименту KamLAND, починаючи з 2002 року. У ядерних реакторах утворюються антинейтрино з енергією аналогічною сонячним — кілька МеВ. Віддаль, на якій вимірювалися осциляції, варіювалася від десятків метрів до сотень кілометрів.

Прискорювачі

Найкращі умови для вивчення нейтрино створюють пучки з прискорювачів. Значна частина таких експериментів із пучками нейтрино досліджувала ті ж діапазони енергій, що й для атмосферних нейтрино: ГеВ на віддалях у кілька сотень кілометрів.

31 травня 2010 року INFN та ЦЕРН оголосили спостереження тау-лептона в пучках мюонних нейтрино в ході експерименту OPERA. Детектори експерименту знаходилися в Національній лабораторії Гран-Сассо на віддалі 730 км від женевського нейтринного джерела.