Осцилляции нейтрино

Нейтри́нные осцилля́ции — превращения нейтрино (электронного, (мюонного) или (таонного)) в нейтрино другого сорта (поколения), или же в (антинейтрино). Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы (собственного времени).

Идея нейтринных осцилляций была впервые выдвинута советско-итальянским физиком (Бруно Понтекорво) в 1957 году.

(Такааки Кадзита) и (Артур Макдональд) получили Нобелевскую премию по физике 2015 года за экспериментальное подтверждение нейтринных осцилляций.

Наличие нейтринных осцилляций важно для решения проблемы солнечных нейтрино.

Осцилляции в вакууме

Предполагается, что такие превращения — следствие наличия у нейтрино массы или (для случая превращений нейтрино↔антинейтрино) несохранения (лептонного заряда) при высоких энергиях.

Стандартная модель в первоначальной версии не описывает массы нейтрино и их осцилляции, однако они могут быть включены в эту теорию с помощью сравнительно небольшой модификации — включения в общий (лагранжиан) массового члена и (PMNS-матрицы) смешивания нейтрино.

Вакуумные осцилляции обнаружены для атмосферных, реакторных и ускорительных нейтрино^[]. Для солнечных нейтрино вакуумные осцилляции могут быть субдоминантным процессом, но пока существование этого типа осцилляций для них не подтверждено, в отличие от осцилляций в веществе (эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна, см. ниже).

Если масса нейтрино равна нулю (а её значение пока неизвестно) либо массы всех типов нейтрино равны, то такой процесс, теоретически, не должен иметь места.

Осцилляции в веществе

Основная статья: (Эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна)

Нейтринные осцилляции в веществе обусловлены наличием у нейтрино (эффективной массы) в среде, ненулевой независимо от наличия у нейтрино массы. Такие осцилляции резко усиливаются при движении пучка нейтрино в веществе с плавно меняющейся плотностью в момент, когда эффективные массы двух типов нейтрино становятся близки друг к другу (для этого необходимо также, чтобы разные типы нейтрино по-разному взаимодействовали с веществом, то есть чтобы эффективные потенциалы нейтрино в среде зависели от плотности среды по-разному). Этот эффект называется эффектом Михеева — Смирнова — Вольфенштейна и считается основной причиной экспериментально обнаруженного (недостатка электронных нейтрино в потоке нейтрино от Солнца).

Эксперименты

Относительные доли поколений нейтрино в потоке нейтрино на разном расстоянии от ядерного реактора

Осцилляции наблюдались для:

• солнечных нейтрино ( Дэвиса, галлий-германиевые эксперименты (SAGE), /, водно-(черенковские) эксперименты и SNO), сцинтилляционный эксперимент ;
• атмосферных нейтрино (Kamiokande, ), возникающих при взаимодействии космических лучей с ядрами атомов атмосферных газов в атмосфере;
• реакторных антинейтрино (сцинтилляционный эксперимент (KamLAND) , (Daya Bay), , );
• ускорительных нейтрино (эксперимент (англ. KEK To Kamioka) наблюдал уменьшение количества (мюонных нейтрино) после прохождения 250 км в толще вещества, эксперимент (OPERA) обнаружил в 2010 году осцилляции мюонных нейтрино в (тау-нейтрино) с последующим рождением тау-лептонов, T2K (англ. Tokai to Kamioka), (MINOS));

Осцилляции с превращением мюонных нейтрино, а также антинейтрино, в электронные исследуются в настоящее время в эксперименте , поставленном по условиям эксперимента . Предварительные результаты эксперимента могут указывать на разницу в осцилляциях нейтрино и антинейтрино.

См. также

• (Матрица Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты)
• (Список экспериментов в физике нейтрино)
• (Нейтринная астрономия)

Примечания

1. Б. Понтекорво. Мезоний и антимезоний. Журнал экспериментальной и теоретической физики, Т.33, C.549—551 (1957)
2. «За теорию — Ленинская, за эксперимент — Нобелевская от 6 октября 2015 на Wayback Machine // Газета.Ru
3. Элементы - новости науки: Нобелевская премия по физике — 2015  (неопр.). Дата обращения: 9 октября 2015. 11 октября 2015 года.
4. Алексей Понятов. «Оборотни» микромира (рус.) // Наука и жизнь. — 2015. — № 11. — С. 12—17. 28 июля 2017 года.
5. L, Mikaelyan and; V, Sinev (2000). "Neutrino oscillations at reactors: What is next?". Physics of Atomic Nuclei. 63 (6): 1002. arXiv:hep-ex/9908047. (Bibcode):2000PAN....63.1002M. doi:10.1134/1.855739. S2CID 15221390.
6. KamLAND — Япония, 200 км от излучателя (реактора) до детектора
7.   (неопр.). Дата обращения: 13 февраля 2014. Архивировано из оригинала 22 февраля 2014 года.
8. Сайт эксперимента K2K — Long Baseline neutrino oscillation experiment, from KEK to Kamioka.  (неопр.) Дата обращения: 5 июля 2010. 18 февраля 2020 года.
9. MiniBooNE results suggest antineutrinos act differently // FremiLab Today, 10.06.2010  (неопр.). Дата обращения: 10 апреля 2011. 11 ноября 2010 года.
10. A. A. Aguilar-Arevalo et al. ( collaboration). Unexplained Excess of Electron-Like Events From a 1-GeV Neutrino Beam (англ.) // Phys.Rev.Lett.. — 2009. — Vol. 102. — P. 101802. — doi:10.1103/PhysRevLett.102.101802. 18 января 2016 года.
11. A. A. Aguilar-Arevalo et al. (MiniBooNE collaboration). Event Excess in the MiniBooNE Search for ${\displaystyle {\bar {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\bar {\nu }}_{e}}$ Oscillations (англ.) // Phys.Rev.Lett.. — 2010. — Vol. 105. — P. 181801. — doi:10.1103/PhysRevLett.105.181801. 3 февраля 2015 года.

Литература

• Материалы по физике нейтрино на сайт НИИЯФ МГУ
• Биленький С. М. Массы, смешивание и осцилляции нейтрино (рус.) // (Успехи физических наук). — Российская академия наук, 2003. — Т. 173, вып. 11. — С. 1171—1186. — doi:10.3367/UFNr.0173.200311b.1171.
• Герштейн С. С., Кузнецов Е. П., Рябов В. А. Природа массы нейтрино и нейтринные осцилляции (рус.) // (Успехи физических наук). — Российская академия наук, 1997. — Т. 167, вып. 8. — С. 811-848. — doi:10.3367/UFNr.0167.199708b.0811.
• (Куденко Ю. Г.) Исследование нейтринных осцилляций в ускорительных экспериментах с длинной базой (рус.) // (Успехи физических наук). — Российская академия наук, 2011. — Т. 181, вып. 6. — С. 569—594. — doi:10.3367/UFNr.0181.201106a.0569.
• (Куденко Ю. Г.) Наблюдение осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино в эксперименте Т2К (рус.) // (Успехи физических наук). — Российская академия наук, 2013. — Т. 183, вып. 11. — С. 1225—1230. — doi:10.3367/UFNr.0183.201311d.1225.
• (Юрий Куденко). Обнаружение нового типа осцилляций нейтрино  (неопр.). (elementy.ru), «Троицкий вариант» №13(82) (5 июля 2011). Дата обращения: 18 января 2013.
  • (Куденко Ю. Г.) Осцилляции нейтрино: последние результаты и ближайшие перспективы (рус.) // (Успехи физических наук). — Российская академия наук, 2018. — Т. 188, вып. 8. — С. 821–830. — doi:10.3367/UFNr.2017.12.038271.
• Цукерман И. С. Осцилляции нейтрино и СРТ (рус.) // (Успехи физических наук). — Российская академия наук, 2005. — Т. 175, вып. 8. — С. 863–879. — doi:10.3367/UFNr.0175.200508e.0863.
• Bellini G., Ludhova L., Ranucci G., Villante F. L. Neutrino oscillations (англ.). — 2013. — arXiv:1310.7858.