Проект KamLAND представляет собой совместный японо-американский реакторный эксперимент по исследованию нейтринных осцилляций на очень большой базе с 1000-тонным (1200 м³) жидкосцинтилляционным детектором 13 метров в диаметре в тонкой пластиковой оболочке, заключенным в 18-метровый стальной шар. Детектор помещен на 800-метровую глубину и окружен 1879 фотомножителями, регистрирующими вспышки света, испускаемого в процессе столкновения антинейтрино с протонами. Установка расположена около города Тоямы (центральный японский остров Хонсю) в подземной выработке Камиоканде, на месте прежнего водного детектора Kamiokande-II. Отсюда ее название: KamLAND (Kamioka Liquid Anti-Neutrino Detector). Это наиболее глубоко расположенный датчик антинейтрино из когда-либо строившихся. Измеряются потоки антинейтрино от 51 действующего японского реактора плюс 18 реакторов в Южной Корее. Строительство датчика шло с 1998 года, а сам эксперимент начался в январе 2002 года и возглавляется японским профессором Атсуто Сузуки (Atsuto Suzuki).

В более ранних нейтринных экспериментах канадской SNO (Sudbury Neutrino Observatory - Нейтринная обсерватория в Садбери) и японской Super-K (Super-Kamiokande, ныне восстанавливается после аварии) уже была обнаружена осцилляция нейтрино, но все же оставались кое-какие теоретические лазейки, позволяющие избежать этого заключения. Новые результаты позволяют сделать однозначный вывод в пользу массивности нейтрино и нейтринных осциляций.

Удалось зафиксировать тот же самый дефицит нейтрино, который наблюдался в многолетних экспериментах с солнечными нейтрино. Та самая парадоксальная недостача солнечных нейтрино заставляла либо отказаться от общепринятой теории строения Солнца, либо предположить, что нейтрино осциллируют по аналогии с K-мезонами. Гипотеза об осцилляциях нейтрино была выдвинута в 1957 году Бруно Понтекорво (1913-1993), итальянским физиком, работавшим в СССР. Нейтрино от ядерных реакторов "исчезают" на пути к датчику точно так же, как и на пути от Солнца, превращаясь в нейтрино другого типа. За 145 дней эксперимента было зафиксировано 54 антинейтрино в диапазоне энергии от 1 до 10 млн эВ, хотя Стандартная модель (в предположении, что никаких осцилляций не происходит) предсказывает примерно 86 событий. Результат почти наверняка означает, что солнечная аномалия нейтрино - следствие именно нейтринных осцилляций, а из этого к тому же следует, что массы нейтрино являются отличными от нуля.

Нейтрино - электрически нейтральная частица со спином 1/2, то есть относится к фермионам. Принадлежит к классу легких частиц - лептонов. Нейтрино и антинейтрино имеют по три различных типа или "аромата", электронное, мюонное и тау-нейтрино. При взаимодействии с другими частицами нейтрино превращаются в соответствующий заряженный лептон. В отрицательные лептоны превращаются левые нейтрино, то есть, имеющие спиральность l = -1/2. Правые нейтрино являются античастицами к левым нейтрино. Разницы в поведении антинейтрино по сравнению с нейтрино в ходе эксперимента обнаружить пока не удалось (возможное нарушение так называемых CP- и CPT-четностей - инвариантных "отражений" относительно заряда, смены одной из пространственных и временной координат на противоположные).

Нейтрино столь плохо взаимодействуют с другим веществом, что могут беспрепятственно пролететь сквозь стену, простирающуюся от Земли до Луны. Они рождаются, например, в ходе реакции ядерного синтеза, за счет которого горит Солнце и другие звезды. Антинейтрино же производятся в ходе расщепления атомных ядер на атомных электростанциях. В процессе расщепления атомного ядра на два меньших появляются радиоактивные ядра, которые распадаются, испуская электрон и антинейтрино. Идея регистрировать вылетающие из реактора антинейтрино с помощью сцинтилляционного детектора довольно старая - она лежала в основе первого экспериментального доказательства существования нейтрино, полученного в 1956 году Клайдем Коуэном и Фредериком Райнесом (Clyde Cowan, Frederick Reines). За эти работы Райнесу была присуждена в 1995 году Нобелевская премия. Но на этот раз идея возродилась на совершенно ином уровне и в гигантских масштабах.

Экспериментаторам повезло, что KamLAND оказался на "правильном расстоянии" от ядерных реакторов Японии (в среднем 175 км), чтобы почувствовать эффект осцилляции антинейтрино, подобный солнечным экспериментам. Анализ событий и задействованных энергий позволяет заключить, что самое вероятное объяснение - осцилляции антинейтрино на их пути от реакторов, заставляющие некоторых из них изменяться от электронных до мюонных и тау-антинейтрино. Кроме того смешивание трех ароматов антинейтрино позволяет определить массу нейтрино с большей точностью, чем в экспериментах с солнечными нейтрино.

Предполагается, что эксперимент на KamLAND будет продолжаться несколько лет, делая набранную статистику все более и более надежной. Кроме того, антинейтрино также рождаются в ходе распада радиоактивного урана и тория в коре и мантии Земли, и KamLAND можно таким образом использовать для измерения внутренней радиоактивности нашей планеты. KamLAND к тому же пригодится для изучения солнечных нейтрино в новом низкоэнергетическом режиме.

Источник:
Disappearing Neutrinos at KamLAND Support the Case for Neutrino Mass - Berkeley Lab

версия для печати