АТМОСФЕРНЫЕ НЕЙТРИНО
Институт Ядерных Исследований РАН
117312 Москва, 60-летия Октября 7а
История физики атмосферных нейтрино насчитывает почти сорок лет. Идея использовать потоки атмосферных нейтрино для изучения физики нейтрино при высоких энергиях в экспериментах, проводимых на установках глубоко под землей или водой, была выдвинута М.А.Марковым на международной конференции по высоким энергиям в Москве в 1959 г. К тому времени из экспериментов на ускорителях поведение сечения взаимодействия нейтрино с нуклонами было известно только до энергий нейтрино
~10 ГэВ.Идея была реализована в конце 60-годов, когда на установках, созданных в Колар Голд Филдз (Индия), в золотых шахтах Южной Африки и в Солт Лейк Сити (США), такие эксперименты были проведены. Анализ результатов показал, что сечение нейтрино-нуклон продолжает , по-видимому, линейно расти с ростом энергии нейтрино по крайней мере до энергии нейтрино
~100 ГэВ. Нормировочная константа в выражении для сечения была определена с лучшей точностью, чем это было известно к этому времени из экспериментов на ускорителях. В конце 70-годов в строй вошел нейтринный телескоп Баксанской нейтринной обсерватории. Этот прибор продолжает работать и в настоящее время.Сравнивая измеренные потоки мюонов, генерированных во взаимодействиях атмосферных мюонных нейтрино с ядрами атомов грунта, с ожидаемыми теоретически, авторы установили верхний предел на поток космических нейтрино. Это был первый шаг превращения нейтринной астрофизики из науки чисто теоретической в науку экспериментальную.
В 80-ые годы для измерения жизни протона были созданы подземные установки гигантских размеров. Проработав некоторое время и установив возможные для них верхние пределы на те или иные каналы распада протонов, эти установки были переориентированы на решение другого рода задач. Так появилось новое поколение подземных телескопов для решения задач физики нейтрино с помощью потоков атмосферных нейтрино. Однако основной задачей теперь оказалась задача поиска возможного эффекта осцилляций нейтрино. В основе такого поиска лежит сравнение результатов экспериментов по измерению потоков атмосферных нейтрино и различных характеристик этих потоков и теоретически ожидаемых результатов.
К началу работы Международной конференции
«NEUTRINO 98» ситуация в рассматриваемом вопросе выглядела следующим образом: в одних экспериментах результаты совпадали с тем, что было предсказано теоретически (например, БНО, ФРЕДЖУС, НУСЕКС), в других экспериментах наблюдали расхождение эксперимента с теорией, и это расхождение пытались объяснить наличием эффекта осцилляций нейтрино (например, АЙБИЭМ, КАМИОКАНДЕ, предварительные результаты САУДАН). Соответствующие параметры эффекта осцилляций (пределы на квадрат разности масс нейтрино при тех или иных углах смешивания) были оценены.Результаты поиска возможного эффекта осцилляций нейтрино в экспериментах с атмосферными нейтрино были в центре внимания конференции НЕЙТРИНО 98, что объясняется прежде всего вводом в январе 1996 года в действие установки СУПЕРКАМИОКАНДЕ. Эта установка является гигантским подземным сооружением, содержащим 55 000 тонн воды, просматриваемой
~11 000 фотоумножителями. Свои результаты представили также САУДАН и МАКРО.Обсуждаемыми характеристиками результатов взаимодействия атмосферных нейтрино с ядрами среды, окружающей установки, или с ядрами вещества самих установок, были следующие:
При этом СУПЕРКАМИОКАНДЕ для интервала энергий Е
<1.33 ГэВ (низкоэнергичные события) даетR=0.63 (+0.026)(-0.025) (± 0.005),
для Е> 1.33 ГэВ ( так называемые многогэвные события)
R=0.65 (± 0.05) (± 0.08)
а для мюонных нейтрино равно 0.54
(+0.06) (-0.05).
Таким образом, СУПЕРКАМИОКАНДЕ как бы не домеряет мюонных событий. Возникает соблазн предположить, что по дороге от места зарождения мюонные нейтрино исчезают, например, в результате осцилляций переходят в другой сорт нейтрино. Однако, в эксперименте
CHOOZ, проведенном на ускорителе по поиску нейтринных осцилляций, были исключены те пределы на квадрат разности масс нейтрино и угол смешивания , которые могли бы быть использованы для объяснения обсуждаемых результатов СУПЕРКАМИОКАНДЕ если бы нейтрино мюонные переходили в нейтрино электронные, и поэтому авторы делают предположение о существовании осцилляций мюонных нейтрино в тау нейтрино или стерильные нейтрино. Соответствующие ограничения на параметры по квадрату разницы масс нейтрино и соответствующие углы смешивания для разных категорий измеряемых событий приведены на рисунке.Аналогичные результаты, свидетельствующие о том, что нейтринные телескопы измеряют меньшее количество мюонных событий, чем это ожидается теоретически, представлены на конференцию установками МАКРО и САУДАН.
Таким образом, факт недомера мюонных нейтрино по сравнению с ожидаемой теоретически величиной, кажется установленным с хорошей статистической точностью нейтринными телескопами последнего поколения. Однако анализ экспериментальных данных об угловых распределениях мюонных событий, полученных на всей совокупности подземных нейтринных телескопов, проведенный П.Липари и представленный на НЕЙТРИНО 98, не дает возможности объяснить эту совокупность данных (все обсуждаемые эксперименты согласуются между собой по величине используемого параметра) введением эффекта осцилляций нейтрино.
Таким образом, результат анализа данных, полученных на сегодняшний день на всех нейтринных телескопах в экспериментах с атмосферными нейтрино, не позволяет сделать определенного вывода о существовании эффекта осцилляций нейтрино.
Объяснения к рисунку.
Оценка параметров возможного эффекта осцилляций мюонных нейтрино в тау нейтрино из данных установок КАМИОКАНДЕ (Кам) и СУПЕРКАМИОКАНДЕ (
SK) по измерению потоков атмосферных нейтрино:D m^2-квадрат разности масс нейтрино,
q - угол смешивания,
up m - мюоны приходят в установку снизу,
stopping/through- отношение числа остановившихся в установке событий к проходящим,
contain- число событий, происшедших внутри установки.