Атмосферные нейтрино

Протон сталкивается с молекулой воздуха; распады пионов дают мюоны и мюонные нейтрино. Подписи на английском.Фото: User:SyntaxError55, CC BY-SA 3.0, Wikimedia Commons

Атмосферные нейтрино возникают, когда космическое излучение попадает в атмосферу Земли. Они — тот источник, на котором в 1998 году впервые были доказаны осцилляции нейтрино, и они по сей день дают одну из самых изящных измерительных схем в физике.

Как они возникают

Из космоса на Землю постоянно попадают протоны и атомные ядра высокой энергии. На высоте примерно от 15 до 20 километров они сталкиваются с ядрами азота и кислорода и порождают ливень вторичных частиц, преимущественно пионов и каонов.

Заряженный пион распадается на мюон и мюонное нейтрино. Мюон в свою очередь распадается на электрон, электронное нейтрино и ещё одно мюонное нейтрино.

Если сложить, то ожидается вдвое больше мюонных нейтрино, чем электронных.

Почему это отношение столь ценно

Абсолютный поток космического излучения известен с точностью лишь около двадцати процентов. Для измерения, в котором речь идёт о нескольких процентах, это было бы бесполезно.

Отношение 2 к 1, напротив, следует единственно из цепочки распадов. Оно почти не зависит от того, насколько сильно космическое излучение в данный момент и как выглядит его состав. Стало быть, источник не нужно знать точно, чтобы иметь острое предсказание.

Именно это делает атмосферные нейтрино пригодными для прецизионных измерений, хотя никто ими не управляет.

Земля как мерило

Вторая особенность геометрическая. Детектор глубоко под землёй принимает нейтрино со всех направлений — но за ними лежат очень разные пути.

Нейтрино сверху возникли в 15 километрах над детектором. Нейтрино снизу возникли на другой стороне планеты и прошли около 13 000 километров.

Один и тот же детектор измеряет тем самым одновременно очень короткий и очень длинный путь — отношение почти тысяча к одному, и это без ускорителя, без второй площадки, без затрат.

Поскольку осцилляции зависят от длины пути, эффект проявляется как зависимость от угла прихода.

Открытие 1998 года

Super-Kamiokande использовал именно это. Детектор находил сверху ожидаемое число мюонных нейтрино — снизу лишь около половины. Электронные нейтрино такого дефицита не показывали.

Эта угловая зависимость и была настоящим доказательством. Ошибка детектора подействовала бы сверху и снизу одинаково; превращение, зависящее от длины пути, действует именно так.

Такааки Кадзита представил результат в июне 1998 года. Это было первое надёжное доказательство того, что нейтрино осциллируют и тем самым обладают массой. В 2015 году последовала Нобелевская премия.

Красота этого измерения в том, как мало ему потребовалось: детектор, небо и земной шар в качестве мерила.

Сегодняшнее использование

Атмосферные нейтрино измеряют и дальше. IceCube и часть ORCA в KM3NeT используют их, чтобы определить порядок масс нейтрино — ведь при прохождении сквозь Землю эффект MSW действует по-разному в зависимости от того, какая масса наибольшая.

Область энергий простирается от нескольких сотен мегаэлектронвольт до петаэлектронвольтной области. При самых высоких энергиях дополнительно вносят вклад распады частиц с очарованными кварками — вклад, который ещё не измерен надёжно.

Нежеланный близнец

В то же время атмосферные нейтрино повсюду являются фоном там, где ищут нечто иное.

Для экспериментов по распаду протона и по тёмной материи они образуют предел достижимого. Их нельзя экранировать — никакая скала в мире их не остановит. Начиная с определённого размера детектора они неизбежно перекрывают искомый сигнал.

Этот барьер на профессиональном языке называется нейтринным отпечатком и отмечает, где заканчивается чувствительность целого класса приборов.

Смежные понятия

Источники

Коллаборация Super-Kamiokande: Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, Physical Review Letters 81, 1562 (1998).