DONUT

DONUT — Direct Observation of the Nu Tau — был экспериментом в Фермилабе, который в 2000 году обнаружил тау-нейтрино. Это была последняя из двенадцати частиц материи Стандартной модели, которой ещё недоставало.

Четверть века ожидания

Мартин Перл открыл в 1975 году тау-лептон и тем самым положил начало третьему семейству лептонов. Поскольку каждому заряженному лептону отвечает собственное нейтрино, следовало ожидать и третьего.

Сомнений почти не было. В 1989 году измерение ширины распада Z-бозона в ЦЕРН показало, что лёгких сортов нейтрино ровно три — не два и не четыре. Но третье никто никогда не видел.

Причина лежит в самом способе обнаружения. Тау-нейтрино выдаёт себя лишь тем, что порождает тау-лептон. Тот живёт около 0,3 триллионной доли секунды и проходит при этом примерно треть миллиметра, прежде чем распасться. Значит, надо увидеть след длиной меньше миллиметра — и в нём излом.

Ни один электронный детектор этого не разрешает. Самые тонкие проволочные камеры дают несколько десятых миллиметра.

Изготовление пучка

DONUT пришлось сперва изготовить себе тау-нейтрино. Протонный пучок в 800 гигаэлектронвольт попадал на вольфрамовый блок. При этом возникают, среди прочего, D_s-мезоны — тяжёлые частицы с очарованным кварком, которые в небольшой доле случаев распадаются на тау-лептон и тау-нейтрино.

Всё остальное удерживалось в стороне: вольфрамовый блок останавливал адроны, магнитные поля отклоняли заряженные частицы, защита поглощала остаток. Оставался пучок из нейтрино, в котором наряду с электронными и мюонными нейтрино содержалась доля около пяти процентов тау-нейтрино.

Возвращение к фотопластинке

Для обнаружения DONUT прибег к технике, идущей от ранней поры физики частиц: фотографической эмульсии.

Детектор состоял из слоёв стали и эмульсионной плёнки. Сталь даёт массу, чтобы взаимодействие вообще происходило. Эмульсия записывает следы заряженных частиц с разрешением менее микрометра — в тысячу раз тоньше, чем любой электронный детектор.

Цена за это — трудоёмкость. Плёнка хранит всё, что когда-либо через неё прошло, и не считывается, как микросхема. Поэтому электронные детекторы грубо указывали, где что-то произошло; соответствующие эмульсионные пластинки затем проявляли и автоматически рассматривали под микроскопом.

Четыре события

Из примерно шести миллионов записанных взаимодействий после отбора осталось около тысячи кандидатов. В конце четыре несли на себе ни с чем не сравнимый излом.

Четыре события как основа открытия — это звучит скудно. Решающим является сравнение с ожидаемым фоном, а он составлял около 0,3 события. Вероятность случайно получить четыре таких следа исчезающе мала.

Коллаборация объявила об открытии в июле 2000 года. Более поздняя, уточнённая обработка полного набора данных повысила число до девяти событий.

Что этим было достигнуто

С DONUT все двенадцать частиц материи Стандартной модели были обнаружены: шесть кварков и шесть лептонов, среди них три нейтрино. Если не считать бозона Хиггса, последовавшего в 2012 году, здание было завершено.

Для физики нейтрино это имело непосредственные следствия. Осцилляции нейтрино описываются как переходы ровно между этими тремя сортами, а матрица ПМНС имеет три строки и три столбца. Пока третий сорт был только выведен умозрительно, в этой цепи доказательств оставался пробел.

DONUT его закрыл. Пятнадцать лет спустя OPERA той же эмульсионной техникой показала, что мюонные нейтрино на пути действительно превращаются в тау-нейтрино, — чем круг замкнулся.

Связанные понятия

• OPERA — обнаружение превращения
• Мартин Перл — первооткрыватель тау-лептона
• Лептон — три семейства
• W- и Z-бозон — измерение числа семейств

Источники

• Коллаборация DONUT (K. Kodama и др.): Observation of tau neutrino interactions, Physics Letters B 504, 218 (2001).
• Коллаборация DONUT: Final tau-neutrino results from the DONuT experiment, Physical Review D 78, 052002 (2008).