Физики впервые зарегистрировали превращение нейтрино

Эксперимент по изучению нейтринных осцилляций (OPERA), проводимый исследователями из итальянского Национального института ядерной физики (INFN), принёс свои плоды. Учёные выстрелили пучком частиц сквозь земную кору и обнаружили первое достоверное доказательство превращения мюонного нейтрино в тау-нейтрино.
В 2011 году та же команда специалистов наделала много шума в научном мире, объявив о том, что им удалось зарегистрировать нейтрино, движущиеся быстрее скорости света. Однако базовый принцип специальной теории относительности Альберта Эйнштейна устоял, когда в измерениях обнаружились ошибки (обусловленные технической неисправностью оборудования). Результаты в итоге были опровергнуты.
Теперь исследователи говорят о достижении основной цели проекта, заключавшейся в наблюдении метаморфоз между тремя известными формами этих частиц: электронным, мюонным и тау-нейтрино.
В ходе тех редких случаев, когда нейтрино взаимодействуют с протонами или нейтронами, они производят электроны, мюоны или тау-лептоны (отсюда и их названия). При этом в нескольких предыдущих экспериментах с использованием известных источников определённого типа нейтрино на выходе учёные регистрировали гораздо меньше частиц заданного класса.
В июле 2013 года японские физики впервые увидели прямое доказательство не только исчезновения исходной формы, но и появления новой. Тогда в пучке мюонных частиц было обнаружено электронное нейтрино.
В период между 2008 и 2012 годом учёные Европейского центра ядерных исследований (CERN) выстреливали пучком мюонных нейтрино в направлении итальянской лаборатории, расположенной внутри скалы в основании горного массива Гран-Сассо в 730 километрах к юго-востоку. Луч преодолевал внушительное расстояние под землёй и попадал точно на детектор OPERA. При этом отдельные мюонные нейтрино превратились в тау-нейтрино.
«После превращения тау-лептоны распадаются уже через одну триллионную долю секунды, — объясняет участник проекта OPERA Джованни Де Леллис (Giovanni De Lellis) из Университета Неаполя. — Если частицы путешествуют почти со скоростью света, новая форма перед распадом успевает пролететь меньше миллиметра».
Чтобы поймать эти короткоживущие частицы, в детекторе OPERA установлена настоящая стена из 150 тысяч блоков, каждый из которых состоит из 57 сложенных эмульсионных пластин.
Площадь этой установки составляет 110 тысяч квадратных метров, но сложное оборудование может с высочайшей точностью определить, если в одной из пластин произойдёт короткий контакт с тау-лептоном.
В прошлом году команда сообщила о том, что им удалось зарегистрировать четыре случая образования тау-нейтрино, однако достоверность этих результатов была недостаточно высока. И вот теперь было зафиксировано пятое превращение. Измерения получили оценку по шкале достоверности результатов физических экспериментов в «5 сигма». Это означает, что вероятность ошибки составляет один шанс на миллион.
«Обнаружение пятого тау-нейтрино чрезвычайно важно, потому что теперь мы можем определённо сообщить об открытии образования этой формы в пучке мюонных нейтрино, — говорит Де Леллис в пресс-релизе CERN. — Это достижение стало возможным благодаря серьёзным усилиям всех исследователей, участвующим в проекте, и отличной производительности пучка, переданного специалистами ЦЕРН».
Учёные продолжают анализировать данные, собранные за время эксперимента, и, возможно, вскоре появится информация и о других случаях превращения нейтрино. Стоит также добавить, что технологии, разработанные для проекта OPERA, будут широко использоваться в предстоящих экспериментах по изучению физики нейтрино и других частиц.