Марианна и нейтринные клоны

О нейтрино.
Уравнения (4) и (5) получены Г. Вейлем (H. Weyl) в 1929 и носят его имя. Вейль предположил, что (4) [либо (5)] является уравнением для безмассовой частицы со спином 1/2. Гипотеза Вейля была вскоре подвергнута критике В. Паули (W. Pauli) на том основании, что уравнения (4) и (5) не инвариантны относительно пространственной инверсии ["... эти волновые уравнения... не инвариантны относительно зеркального отображения (перемены правого на левое) и вследствие этого неприменимы к физическим объектам". В. Паули, "Общие принципы волновой механики", M.-Л., 1947, с. 254]. Об уравнениях Вейля вспомнили в 1957 после экспериментального открытия несохранения чётности в слабом взаимодействии. Ли Цзундао (Lee Tsung Dao), Янг Чжэньнин (Yang Chen Ning) и A. Cалам (A. Salam) пришли к выводу, что именно нейтрино описывается двухкомпонентным вейлевским спинором.
Л. Д. Ландау, основываясь на СР-инвариантности, предположил, что нейтрино является вейлевской частицей, поскольку уравнения Вейля инвариантны относительно СР-преобразования. Эксперимент подтвердил эту теорию двухкомпонентного нейтрино.
( Ландау Л.. Д.  Об одной возможности для поляризационных свойств нейтрино, "ЖЭТФ", 1957, т. 32, с. 407).
Гипотеза о существовании нейтрино была предложена Вольфгангом Паули в 1930-е годы для того, чтобы спасти закон сохранения энергии. Нейтрино выступило на сцену как спаситель этой важнейшей концепции в науке. Позже, когда нейтрино открыли и когда изучили некоторые его свойства, было обнаружено, что физика нейтрино в нашем мире и в «кэрролловском зазеркалье» сильно различается. Это натолкнуло создателей Стандартной модели на идею ее правильного построения. С тех пор прошло уже порядка 50 лет, и физики понимают, что, несмотря на успешность Стандартной модели, остаются две загадки: тёмная энергия и тёмная материя. Необходима новая теория. И сейчас надеются, что если мы сможем аккуратно измерить все свойства нейтрино, то оно снова укажет нам путь, на этот раз за пределы Стандартной модели.
В эволюции нашей Вселенной нейтрино играет довольно серьезную роль. Например, после Большого взрыва, считающегося рождением Вселенной, в первые доли секунды нейтрино вместе с фотонами, электронами, протонами, нейтронами и т. д. образовали «горячий суп» из частиц. Если бы число типов нейтрино в газе было другим, то у этого газа были бы несколько другие свойства, и это привело бы к несколько другой эволюции Вселенной. Нам известно, что масса нейтрино составляет не более одного электронвольта (эВ). Если бы, скажем, масса нейтрино была 50 эВ, то наша Вселенная уже давно сколлапсировала бы обратно в точку, в так называемую сингулярность.
Согласно современным представлениям, галактики не могли образовываться самостоятельно. Звёзды находятся слишком далеко друг от друга, чтобы объединиться в галактику. Возможным решением проблемы является гипотеза тёмной материи, заполняющей пространство между звёздами и усиливающей действие гравитационного поля. Нейтрино по-прежнему играет роль возможного кандидата на роль тёмной материи. И снова все зависит от того, какие у нейтрино свойства и масса. Если бы масса нейтрино была слишком маленькая, то такая тёмная материя приводила бы, наоборот, к тому, что никакие галактики не могли бы образоваться. Если масса нейтрино несколько больше, они могли бы играть роль тёмной материи.
К ответу на этот вопрос стремится, например, эксперимент Baikal-GVD, который исследует нейтрино с очень большими энергиями. Оказывается, когда образуются галактики, в их центре практически всегда возникает чёрная дыра. Сначала она небольшая, но постепенно начинает пожирать вещество вокруг и разрастается до миллионов масс нашего Солнца, иногда даже до миллиардов. То есть заметная доля массы всей галактики может сидеть в одной чёрной дыре.
Эта чёрная дыра пожирает вещество звёзд вокруг себя, постоянно увеличиваясь в размерах. Вещество от этих звёзд закручивается вокруг чёрной дыры, образуя аккреационный диск, нагревается и ярко светится. Это красивое и драматическое явление. Сама чёрная дыра, конечно, не может излучать свет, но благодаря этому светящемуся газу она становится одним из самых ярких объектов во Вселенной. Газ закручивается в определённой плоскости, и в направлении, перпендикулярном этой плоскости, чёрная дыра иногда выбрасывает мощную струю газа, которую не смогла «переварить». В этой струе возникает самый мощный ускоритель, который существует во Вселенной. Он ускоряет частицы до совершенно безумных энергий. В том числе там возникают такие прозаические для земных ускорителей частицы, как пионы, каоны и другие, которые ускоряются и при своих распадах частенько дают нейтрино. Мы на Земле такие ускорители построить не можем.
Кроме того, для нас важно слабое взаимодействие нейтрино. Если выстроить миллиард солнц по порядку, одно за другим, нейтрино с энергией 1 млн эВ, пролетая сквозь этот строй, провзаимодействует с веществом всего один раз. Так что оно без проблем покидает область чёрной дыры, проходит через половину Вселенной и может прийти к нам и принести информацию о том, как и где оно родилось. По пути оно не отклоняется ни электромагнитными, ни гравитационными взаимодействиями.
Есть такие места во Вселенной, про которые мы не сможем надежно ничего сказать без регистрации нейтринного сигнала оттуда. Нейтринная астрономия возможна при условии, что мы на Земле сможем аккуратно установить, откуда к нам пришло нейтрино. А сделать мы это можем потому, что у нейтрино очень большая энергия, и все частицы, которые оно рождает, когда взаимодействует в детекторе, будут лететь строго в том же направлении, откуда нейтрино само пришло. Например,  байкальский телескоп Baikal-GVD регистрирует черенковское излучение, которое генерируют эти заряженные частицы, и может достаточно хорошо, с точностью лучше одного градуса, определить направление нейтрино. Однако рождение новой науки — нейтринной астрономии — не отменяет обычную астрономию с классическими телескопами, которые остаются лучшими приборами для менее труднодоступных мест во Вселенной.
       В этом смысле экспериментальная физика хороша тем, что мы просто получаем экспериментальный результат, а потом теоретики в рамках разных теорий или моделей пытаются этот результат проверить и осмыслить, определить, вписывается ли он в ту или иную теорию или нет. На прецизионное измерение тонких свойств нейтрино нацелен, например, международный проект JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory). Это как раз тот самый путь к Новой физике. JUNO уже рутинным образом будет использовать явление нейтринных осцилляций для исследования свойств нейтрино. Важнейшую роль в установлении самого явления нейтринных осцилляций сыграл эксперимент Daya Bay. За это, кстати, многие участники коллаборации Daya Bay были удостоены самой крупной премии в науке — «Прорыв в фундаментальной физике» за 2016 год. Оба этих эксперимента проводятся с ядерными реакторами в Китае, и в обоих принимают активное участие учёные из ОИЯИ.
— Процесс когерентного рассеяния весьма интересен, поскольку на фундаментальном уровне нейтрино взаимодействует с протонами и нейтронами, из которых состоит ядро. Ещё точнее — с кварками, из которых состоят протоны и нейтроны.  При энергиях нейтрино порядка нескольких миллионов электронвольт оказывается, что вероятность взаимодействия нейтрино с ядром, содержащим N нейтронов, больше соответствующей вероятности взаимодействия с одним нейтроном в N в квадрате раз! Этот эффект возникает в результате когерентного сложения амплитуд вероятности и служит замечательной иллюстрацией законов квантовой механики. Недавно этот процесс был обнаружен коллаборацией COHERENT.
 
Экспериментальная физика нейтрино неразрывно связана с ядерными реакторами, где мощные потоки антинейтрино образуются при бета-распадах осколков деления. Реактор с тепловой мощностью три ГВт генерирует ~ 6*1020 антинейтрино в секунду. Использование реакторов для изучения фундаментальных свойств антинейтрино было начато в 1953-1956 гг. в США на реакторе Savanna River, где в экспериментах Райнеса и Коуэна впервые наблюдалось взаимодействие нейтрино с веществом. С конца 70-х годов ХХ века нейтринные эксперименты на реакторах были начаты в Европе (Goesgen - Швейцария; Bugey, CHOOZ - Франция) и СССР (Ровенская и Красноярская АЭС).  Группа, включающая работников ИТЭФ и Дубны, приступила к экспериментальным работам по нейтринной физике на Калининской атомной станции (КАЭС). Тематика проводимых и планируемых работ на КАЭС включает проекты по фундаментальным и прикладным направлениям. Это эксперимент по измерению магнитного момента нейтрино и проект создания детектора антинейтрино DANSS для дистанционного измерения параметров реактора в реальном масштабе времени…
Изучение свойств нейтрино является одной из главных задач современной физики элементарных частиц. На этом направлении в последние годы достигнуты замечательные успехи. Из анализа результатов, полученных в экспериментах по поиску осцилляций атмосферных, солнечных и реакторных нейтрино, сделаны выводы о существовании конечной нейтринной массы и определено большинство параметров нейтринных состояний. Однако многие фундаментальные свойства нейтрино остаются до сих пор неизвестными. Неизвестна величина магнитного момента нейтрино (ММН), а также неизвестно имеет ли нейтрино античастицу (Дираковский тип нейтрино) или является истинно нейтральной частицей (Майорановское нейтрино). В Стандартной Модели с минимальным расширением магнитный момент Дираковского нейтрино выражается через массу нейтрино и имеет очень маленькую величину ~ в магнетонах Бора, не доступную для наблюдения в современных экспериментах. Вместе с тем в ряде расширений Стандартной Модели нейтрино вне зависимости от величины массы могут иметь существенный магнитный момент. Помимо теоретических расчетов представление о величине ММН можно получить из анализа параметров некоторого класса звёзд на последней стадии их эволюции, когда нейтринные потоки уносят подавляющую часть теряемой звёздами энергии. Можно ввести ограничения на ММН из оценок таких параметров, как массы гелиевых звёзд в момент вспышки, светимость Белых карликов и энергетический спектр нейтрино от взрыва Сверхновой. Однако следует помнить, что астрофизические оценки являются модельнозависимыми. Был выполнен ряд теоретических расчетов, в которых показано, что из экспериментального обнаружения ММН следуют два фундаментальных следствия. Во-первых, это означало бы, что нейтрино является Майорановской частицей, т.е. нейтрино и антинейтрино тождественны. Во-вторых, полученная в эксперименте величина ММН, указывала бы на верхнюю энергетическую границу применимости Стандартной Модели, выше которой начинается новая Физика. Для проверки гипотезы о существовании у нейтрино аномально большого магнитного момента и установления границ применимости Стандартной Модели крайне актуальным является увеличение чувствительности лабораторных измерений ММН.
Экспериментальные измерения ММН основаны на выделении его вклада в процесс рассеяния (анти)нейтрино на электроне. С помощью различного типа детекторов измеряются спектры рассеянных электронов. При уменьшении энергии рассеянного электрона вклад от электромагнитных взаимодействий в общий процесс рассеяния стремительно нарастает. Поэтому понижение энергетического порога детектора приводит к столь же резкому увеличению чувствительности измерений. В ”реакторных” экспериментах имеется возможность существенно повысить чувствительность измерений за счет разностного метода. Он основан на сравнении спектров, набранных при работающем - "on" и заглушенном - "off" реакторе.
М.Б. Волошиным и А.С. Старостиным (ИТЭФ) было предложено использовать в измерениях ММН низкофоновый германиевый спектрометр (НГС). Эта идея бала реализована в 1998 году в рамках программы GEMMA (Germanium Experiment on the measurement of Magnetic Moment of Antineutrino). Одним из достоинств НГС является низкий уровень собственных шумов и практическое отсутствие радиоактивных примесей. Сочетание этих качеств позволяет проводить измерения, начиная с энергии в несколько КэВ.
Измерения ММН в эксперименте GEMMA проводятся на втором блоке Калининской атомной станции. В качестве спектрометра используется детектор из сверхчистого германия весом 1.5 кг, окруженный многослойной защитой от всех видов внешнего излучения: радиационного, нейтронного и космического.
Как правило, на определённом этапе развития фундаментальной науки появляется возможность использовать накопленные знания в прикладных целях. Именно это наблюдается сейчас в "реакторном" разделе нейтринной физики. До последнего времени основным направлением «реакторных» опытов было изучение фундаментальных свойств нейтрино. По мере увеличения чувствительности экспериментов потребовались, с одной стороны, более углублённые знания о спектрах реакторных антинейтрино и их зависимости от параметров реактора, и, с другой стороны, увеличение размеров и уменьшения фона экспериментальных установок. В результате появилась принципиальная возможность поставить обратную задачу - использовать детекторы антинейтрино для дистанционной диагностики работы реактора. Измерения параметров реактора с помощью детектора антинейтрино основаны на строгой зависимости между тепловой мощностью реактора и плотностью потока антинейтрино, а также между формой спектра антинейтрино и составом ядерного топлива.
Первые положительные результаты в области нейтринной диагностики были получены на Ровенской АС в середине 80-х группой из Курчатовского института, возглавляемой Л. А. Микаэляном. Измерения проводились на жидко-сцинтилляционном спектрометре РОНС, расположенном в специальной лаборатории под реактором ВВЭР 440, на расстоянии 18 м от центра активной зоны. Для регистрации реакторных антинейтрино (РА) использовалась реакция обратного бета-распада на протонах рабочего вещества детектора. Скорость счёта РА составляла ~ 900 событий в сутки. В спектрометре РОНС частично воспроизводился спектр реакторных антинейтрино, а интегральная скорость счёта позволяла довольно точно судить об энерговыделении реактора. Были сделаны первые шаги по развитию методов дистанционного определения композитного состава топлива в активной зоне реактора в реальном масштабе времени. Работы по нейтринной диагностике на Ровенской станции были остановлены в начале 90-х годов. Прошло более десяти лет, прежде чем значение этих опытов было по-настоящему оценено научным сообществом и стало основой прикладной нейтринной физики.
В последнее время широко обсуждаются аномалии, наблюдаемые в ряде нейтринных экспериментов, которые можно рассматривать как указание на нейтринные осцилляции. Подтверждение этого феномена означало бы существование наряду с известными 3-мя типами активных нейтрино одного или нескольких стерильных нейтрино.
      Процесс упругого когерентного рассеяния нейтрино (или антинейтрино) на атомном ядре предсказывается и хорошо описывается Стандартной моделью электрослабого взаимодействия – теорией, проверенной для всех других известных элементарных частиц и их взаимодействий. В процессе рассеяния нейтрино взаимодействует путем обмена Z-бозоном с атомным ядром в целом, т.е. когерентно. Это имеет место при энергиях нейтрино менее 50 МэВ, когда длина волны де Бройля увеличивается до величины порядка размера атомного ядра.
Данный процесс играет первостепенную роль в динамике сверхновых звёзд, поскольку около 99% процентов гравитационной энергии звезды при её коллапсе переходит в энергию нейтрино.
В процессе упругого рассеяния лишь небольшая часть энергии нейтрино передается атомному ядру. Однако до настоящего времени не было экспериментального прямого наблюдения этого процесса в силу огромных технических трудностей его регистрации. Трудности обусловлены тем, что энерговыделение  происходит в основном в области менее 1 кэВ (для реакторных антинейтрино, если рассматривать ядерный реактор в качестве самого интенсивного искусственного источника нейтрино). При этом необходим низкопороговый детектор с большой массой (более нескольких кг), работающий в условиях низкого радиационного фона. Тем не менее физики возлагают большие надежды на то, что этот процесс в ближайшем будущем будет не только открыт, но и использован в практических целях – для дистанционного нейтринного мониторинга ядерных реакторов. Причиной такого оптимизма, является то, что вероятность (сечение) данного процесса значительно превосходит вероятность известного процесса обратного бета-распада, с помощью которого была открыта частица антинейтрино (на ядре ксенона – в ~700 раз!), а разработанные в последнее время новые технологии детектирования частиц и излучений позволят в ближайшем будущем построить детектор для его регистрации. Отдельный научный интерес представляет поиск возможных отклонений от предсказаний Стандартной модели, наличие которых свидетельствовало бы о существовании "новой физики". Например, наличие у нейтрино ненулевого магнитного момента должно было бы вносить свой вклад в сечение процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре.
Эмиссионный двухфазный детектор на жидком ксеноне РЭД-100.
Технология двухфазного эмиссионного детектора на конденсированном благородном газе является очень перспективной для наблюдения исследования процесса упругого когерентного рассеяния нейтрино на ядре. Данный метод регистрации частиц был предложен в 70-е годы в МИФИ  Б.А. Долгошеиным, В.Н. Лебеденко и Б.У. Родионовым. Данный метод успешно используется в экспериментах по поиску тёмной материи во Вселенной в виде тяжелых слабовзаимодействующих частиц (WIMP – weakly interacting massive particles). Суть метода состоит в том, что взаимодействие частиц происходит с массивной жидкой частью детектора, затем произведённые в процессе ионизации электроны вытягиваются электрическим полем в газовую фазу над поверхностью жидкости, где их можно регистрировать хорошо отработанными методами с использованием различных методов усиления сигнала.
Частица, попавшая в чувствительный объем детектора производит возбуждение атомов ксенона и их ионизацию. Возникает световой сцинтилляционный сигнал с длиной волны 175 нм. Электроны, образованные в результате ионизации, дрейфуют к поверхности жидкого ксенона, где они под действием электрического поля, создаваемого разностью потенциалов между сетками GATE и анод, выходят с поверхности жидкости в газовую фазу ксенона (эмиссия электронов). Под действием ускоренных электронов в процессе их дрейфа происходит свечение газообразного ксенона, называемое электролюминесценцией или вторичной (пропорциональной) сцинтилляцией. Интенсивность этого свечения пропорциональна величине ионизации, произведённой в объеме детектора. Эмиссионный метод регистрации частиц в подобных газах является рекордным по чувствительности к предельно малой ионизации, обеспечивая при этом рекордно большую массу детектора в сотни килограмм и даже несколько тонн. В связи с этим детектор такого типа является идеальным  для регистрации упругого когерентного рассеяния нейтрино.
С 2007 года начат набор статистики в эксперименте ОПЕРА по поиску ню-мю ню-тау осцилляций, т.е. поиск перехода мюонного нейтрино в тау нейтрино (www.opera.cern.ch). В рамках этого эксперимента в 2010 году обнаружен первый случай прямого наблюдения перехода мюонного нейтрино в тау, т.е. наблюдение рождения тау-лептона в пучке мюонных нейтрино. Пучок мюонных нейтрино от SPS CERN с энергией 17 ГэВ пройдя 730 км под землей попадает в подземную лабораторию GRAN SASSO, где и расположена установка ОПЕРА...

Марианна с присущей ей щепетильностью изучала все серьёзные источники по физике нейтрино.
        Богиня Маат решила проявить свою щедрость и направила в мозг Марианны каскад снов, в которых разыгрывались события в нейтринной цивилизации. До этого Марианна знала о нейтрино лишь то, что оно возникает в процессах распада, связанного с электрослабым взаимодействием. Нейтрино имело скорость, близкую к скорости света, пронзало насквозь вселенную, и вопрос, имело ли оно массу покоя, оставался долго открытым. Позже пришли к выводу о ненулевой массе покоя нейтрино. Марианна, в отличие от физиков-релятивистов, понимала, что нейтрино не просто энергия, а устойчивое энергетическое образование, волна-частица со свойственной ей структурой и ненулевой массой покоя. Фотоны и прочие бозоны тоже имели свои относительно устойчивые структуры. Но еще более сложным было представление об устойчивых конфигурациях, состоящих исключительно из нейтрино и обладающих памятью, рождением, трансформациями и распадом, т.е. обладающих жизнью и смертью.
С такими нейтринными клонами могли общаться лишь несколько программ, представляющих Божественное семейство. Богини Маат и Асету, бог Тот и агнец регулярно общались с нейтринной цивилизацией. Правда, из-за текущих хлопот информация об этом общении не задерживалась в памяти Асету, занятой больше голограммами так называемой «материально осадочной вселенной». Марианна оказалась первой «земной» тварью, которой был открыт временно экспериментальный доступ к общению с нейтринными существами. Она, разумеется, была в растерянности от обилия и сложности знаний, влившихся внезапно в неё. Агнец рассказывал о своём опыте общения с нейтринными клонами. Представьте существа нежного излучения, при этом состоящие из упорядоченных, пронизывающих, устойчивых триллионов волн-вихрей  большой энергии, но редко взаимодействующих (а значит, и проявляющихся)с окружением. Каждое существо может растянуться и занять весь объём вселенной и содержать в своей памяти всю историю знания и познания, причём структура  вихря такой вложенности, что в каждом вихре мириады более мелких вихрей, в которой ещё мириады ещё более мелких вихрей (по принципу матрёшки). Степень вложенности достигает  от 64 до 1024 (сравните с тысячелепестковым лотосом в индуизме или буддизме). Марианна так сильно стала погружаться в своих снах в цивилизацию нейтринных существ, что, проснувшись в земном мире, стала плохо ориентироваться в текущих событиях. Подруга Марианны пыталась как-то вернуть Марианну в круг земной суеты, но этот круг не был способен поглотить Марианну. Совсем наоборот: нейтринные клоны стали вмешиваться, подсказывать, помогать Марианне вызывать и творить чудеса. У Марианны стали легко исполняться все земные желания. Но это было интересно подруге, а самой Марианне это уже было неинтересно. Марианна взялась творить чудеса во вселенском масштабе и записывать результаты в свой тайный дневник. Однажды дневник попал в руки подруги, которая стала читать его, от чего помутился у подруги разум. Марианна пыталась помочь подруге, но с каждым днём психика подруги разрушалась. В итоге подруга попала в психиатрическую лечебницу в Швейцарии. Марианна всячески пыталась ей помочь. Но ничего не помогало. Чудеса вселенского порядка только разрушали земное благополучие. А чудеса земного масштаба оказывались с «двойным дном»: на каждое чудо в силу симметрии приходило античудо; за всё приходилось платить. Подруга не выдержала и покончила самоубийством: однажды утром нашли её повешенной…