NANP'03, горизонты научного поиска

Конференция по неускорительной физике в Дубне

23-28 июня в Дубне проходила IV международная конференцию "Новая физика в неускорительных экспериментах (NANP'03)", которая была посвящена 90-летию со дня рождения академика Бруно Максимовича Понтекорво, выдающегося ученого нашего времени, заложившего основы современной физики нейтрино. Главная цель конференции NANP'03 состояла в совместном обсуждении как теоретиками, так и экспериментаторами современного состояния неускорительной физики и будущих проектов, направленных, в первую очередь, на поиск новых физических процессов, выходящих за рамки стандартной модели электрослабых взаимодействий. Научная программа конференции охватывала практически весь спектр исследований в области неускорительной физики как в шкале энергий (от сотых долей эВ при определении разницы масс нейтрино до 1019 эВ при исследовании космических лучей сверхвысоких энергий), так и по методам исследований (в докладах были представлены наземные, подземные, подводные, подледные, зондовые и спутниковые эксперименты). Среди основных тем докладов можно назвать: обсуждение проблемы масс, смешивания и осцилляций различных типов нейтрино; безнейтринный двойной бета-распад; происхождение, состав и возможность регистрации темной материи во Вселенной; исследование других редких процессов; возможные источники и методы регистрации космических лучей сверхвысоких энергий и т. д. В конференции приняло участие более 150 человек, из них около 50 зарубежных ученых. Все предыдущие конференции из серии NANP получили широкое мировое признание, что подтверждается большим количеством заявленных на данную конференцию докладов. Организаторами конференции NANP'03 были ОИЯИ и ИЯИ РАН. Данная конференция, как и предыдущие, частично финансировалась РФФИ. Она прошла при поддержке дирекции Института в лице В.Г. Кадышевского и Ц. Вылова.

На прошлой конференции NANP'01 наибольшее внимание вызвал доклад коллаборации SNO (Sudbury Neutrino Observatory, Канада), которая именно в Дубне впервые доложила свои результаты, свидетельствующие о наличии осцилляций солнечных нейтрино так называемого борного цикла. На нынешней конференции NANP'03 коллабрация SNO (докладчик Ян Лоусон) представила свои новые более точные данные, полученные в измерениях с тяжелой водой, а также ожидаемые результаты после модернизации установки, в частности с использованием добавок соли в состав вещества мишени.

Несомненно, ключевым выступлением на конференции NANP'03 был доклад коллаборации KamLAND (докладчик Ю. Камышков), где были представлены первые уникальные результаты измерения потоков антинейтрино от ядерных реакторов японских атомных станций, ожидаемые потоки электронных нейтрино от которых хорошо известны. Зарегистрированные этой коллаборацией 54 события от взаимодействия электронных антинейтрино находятся в явном противоречии с ожидаемым числом событий (87), рассчитанным с большой точностью для случая отсутствия каких-либо осцилляций. Впервые было обращено внимание на то, что подземные детекторы типа KamLAND становятся чувствительными к земным или гео-нейтрино, рождающимся в результате бета-рапада естественных радиоактивных изотопов урана и тория, содержащихся в коре и мантии Земли. Было показано, что такие гео-нейтрино могут являться естественным фоном при измерении нейтринных потоков с низким энергетическим порогом. В то же время, это открывает новые перспективы для проведения в недалеком будущем "нейтринографии" нашей планеты. Кроме того, впервые удалось провести измерение энергетического спектра нейтрино и определить на этой основе параметры осцилляций, которые наилучшим образом подходят к решению проблемы нейтринных осцилляций с большим углом смешивания между нейтринными состояниями двух типов (LMA solution). Таким образом, полученный результат совместно с данными SNO и SuperKamiokande (Япония) является очень серьезным экспериментальным свидетельством в пользу гипотезы нейтринных осцилляций. В этой связи следует отметить, что в ускорительных экспериментах, таких как NOMAD (ЦЕРН), пока не удается обнаружить явных признаков нейтринных осцилляций при достигнутом на сегодня уровне чувствительности эксперимента (доклад Б. Попова). Нейтринные осцилляции также пока не обнаружены в эксперименте MARCO с атмосферными нейтрино (доклад Г. Гиагомелли).

Помимо экспериментов SNO, SuperKamiokande и KamLAND, вопросы, связанные с будущим поиском нейтринных осцилляций на больших расстояниях с использованием ускорителей в качестве источников нейтрино, обсуждались в докладах А. Гуглиелми ЦЕРН), К. Нишикавы (K2K проект), Р. Саакаяна (эксперимент MINOS), М. Драгоса (OPERA проект), А. Гранта (проект Toranto Gulf), А. Зайцева (проект в Протвино).

О новых экспериментах с использованием потоков нейтрино от реакторов, в том числе на Красноярской атомной станции, докладывали Л. Микаэлян, В. Синев, В. Выродов и Ю. Лютостанский.

Реакторы современных атомных станций позволяют проводить не только поиск антинейтринных осцилляций, но и определять электромагнитные характеристики антинейтрино - такие, как диагональные и переходные магнитные моменты нейтрино, что крайне важно не только для точного решения проблемы дефицита солнечных нейтрино, но и для определения возможного вклада майорановской компоненты нейтрино. Эти вопросы рассматривались в выступлениях А. Старостина (проект GEMMA) и Дж. Вергадоса (исследование свойств нейтрино с помощью тритиевого источника низких энергий). Доложенные на конференции результаты по экспериментальным ограничениям на магнитный момент нейтрино в эксперименте MUNU (докладчик Ж. Даракчиева) были получены путем исследования процессов упругого рассеяния нейтрино на электронах.

Большое внимание привлек новый международный проект KATRIN, нацеленный на прямое кинематическое определение массы нейтрино по искажению конца бета-спектра трития, о котором сделал доклад Н. Титов (ИЯИ, Москва).

Вполне естественно, что в связи с новыми результатами по регистрации солнечных нейтрино борного цикла, объясняющими дефицит солнечных нейтрино вероятнее всего за счет нейтринных осцилляций в веществе (эффект Михеева-Смирнова-Вольфеншнейна) с большим углом смешивания, ещё больше возрос интерес к измерению спектра солнечных нейтрино во всем энергетическом диапазоне. Обобщенные результаты измерения более полного потока солнечных нейтрино, начиная с низких энергий в галлий-германиевых экспериментах GNO (Италия) и SAGE (Россия) были представлены лидером коллабрации SAGE В. Гавриным. Кроме того, в докладе В. Гаврина значительное место было уделено уникальным историческим материалам, связанным с научной деятельностью Б.М. Понтекорво, в частности, была отмечена его значительная роль в обосновании создания первых российских подземных установок. Много интересного материала из истории физики нейтрино, связанного с научной деятельностью Б.М. Понтекорво, было и в докладе Ю. Гапонова, посвященном первым статьям Этторе Майорана и Бруно Понтекорво, заложивших основу современного понимания майорановского типа нейтрино.

Для проведения измерений солнечных нейтрино с еще более низким порогом А. Копыловым был представлен весьма актуальный проект эксперимента по детектированию солнечных нейтрино от так называемого CNO-цикла с помощью литиевых детекторов. Связь новых данных коллаборации KamLAND с проблемой солнечных нейтрино обсуждалась в выступлениях С. Госвами (Индия) и Б. Чаухана (Португалия). Весьма необычный и во многом спорный взгляд на источник солнечной энергии и внутренний (80% Fe) состав Солнца был изложен в докладе О. Мануэля (США).

Актуальная проблема поиска так называемой скрытой или темной материи небарионного происхождения во Вселенной обсуждалась как с теоретической (Пран Нат, В. Бедняков, В. Докучаев и В. Первушин), так и с экспериментальной точек зрения. Три из наиболее перспективных будущих экспериментов по поиску таких частиц были представлены Ж. Гербиером (эксперимент EDELWEISS), А. Хорвардом (эксперимент с двухфазным ксеноновым детектором) и Х. Кимом (эксперимент со сцинтилляционными детекторами на основе цезий-йода).

Пожалуй, второй ключевой и не менее интригующей темой конференции NANP-03 было обсуждение проблем, связанных с возможным свидетельством обнаружения так называемой безнейтринной моды двойного бета-распада. Несомненно, что существование безнейтринной моды двойного бета-распада ядер означало бы прямой выход за рамки стандартной модели, нарушение закона сохранения лептонного числа, наличие ненулевой майорановской массы у нейтрино. Значение такого открытия трудно переоценить. Главная интрига состоит в том, что примерно два года назад немецкая часть коллабрации Heidelberg-Moscow (рук. Г. Клапдор-Кляйнгротхауз) опубликовала сенсационное заявление о том, что полученные за 10 лет измерений данные содержат указание на существование безнейтринного двойного бета-распада ядер германия-76, с периодом полураспада 1,5х1025 лет. Эта часть коллаборации утверждает, что при проведении специальной процедуры обработки части спектра ими обнаружен небольшой пик, расположенный именно в том месте, где и должен находиться пик, обусловленный безнейтринным двойным бета-распадом Ge-76 (при энергии 2039 кэВ). Данная публикация вызвала весьма скептическую реакцию специалистов в области двойного бета-распада. Их мнения разделились: от полного непризнания наличия такого пика (Ю. Здесенко) до отрицания правильности интерпретации этого пика как проявления безнейтринного бета-распада (И. Кирпичников). Возникло широкое обсуждение этой проблемы в литературе.

Недавно московская часть коллаборации Heidelberg-Moscow закончила независимую обработку совместных данных. Результаты этой работы были представлены на конференции руководителем московской части коллаборации академиком С. Беляевым. На основе подробного статистического анализа было обнаружено, что примерно в половине данных на набранном спектре имеют место пики, природа которых не поддается идентификации и возникновение которых скоррелировано с наличием так называемых подпороговых импульсов в измеренном спектре. Такого сорта события, по мнению докладчика, свидетельствуют о неисправной или нестабильной работе электронной аппаратуры. Более того, оказалось, что исключение из рассмотрения данных, содержащих такого сорта подпороговые импульсы, приводит одновременно и к исчезновению в спектре пика при энергии 2039 кэВ. Иными словами, по мнению московской части коллаборации, этот пик является результатом нестабильной работы аппаратуры и на основе полученных данных нельзя говорить об обнаружении безнейтринного двойного бета-распада Ge-76. Тем не менее, пока остается неясной причина такого сорта корреляций. Кроме того, вполне допустимо исчезновение статистически обоснованного пика при уменьшении обрабатываемых данных вдвое и т. п. Требуется дальнейшее еще более тщательное исследование всех связанных с этим вопросом проблем.

Новые перспективные эксперименты в области исследований двойного бета-распада ядер обсуждались в выступлениях Г. Гратты (эксперимент с ксеноном EXO), Ф. Авиньона (проект эксперимента MAJORANA с секционированными германиевыми детекторами и эксперимент CUORECHINO c болометрами TeO2), Ю. Здесенко (проект эксперимента CAMEO с кристаллами CdWO4) и др. Первые результаты экспериментального исследования двухнейтринной моды двойного бета-распада различных изотопов в международном эксперименте NEMO-3 были доложены О. Кочетовым (ОИЯИ). В этом же докладе приводились и предварительные результаты по полученным на установке NEMO-3 за первые серии измерений ограничениям на период полураспада по безнейтринной и майоранной модам двойного бета-распада одновременно для нескольких наиболее перспективных изотопов. Новые результаты по измерению двухнейтринного двойного бета-распада кадмия-116 были доложены Ф. Даневичем (Украина), ниодима-150 - А. Барабашем (ИТЭФ), ксенона-136 - В. Кузьминовым (Баксанская нейтринная обсерватория).

Важные вопросы влияния ядерной структуры на вероятности двойного бета-распада ядер рассматривались в выступлениях Й. Сухонена (Финляндия), О. Чивитаресе (Аргентина), Л. Рачеареску (Германия) и П. Рейны (Индия).

Такие редкие процессы, как распад протона и нарушающие фундаментальные симметрии распады каонов, обсуждались в докладах Дж. Лагода (эксперимент ICARUS), В. Третьяка, В. Анисимовского, А. Курилина (эксперимент KLON) и других.

Новые экспериментальные установки, нацеленные на поиск и всестороннее исследование фундаментальных процессов, которые запрещены в рамках стандартной модели физики элементарных частиц и по этой причине представляют особенный интерес, а также новые установки по производству важных для данной области исследований материалов рассматривались в выступлениях Г. Григорьева (производство обогащенных изотопов в институте имени Курчатова), В. Корноухова, В. Копейкина, О. Займидороги и др.

Все большее внимание в ряду неускорительных экспериментов приобретают астрофизические исследования на искусственных спутниках Земли. Этой теме были посвящены доклады А. Малинина (Maryland) о проекте AMS и Б. Хренова (Москва) о проекте TUS/KLYPVE.

Результаты исследования вспышки Сверхновой SN1987a до сих пор привлекают к себе внимание ученых. Полученный до настоящего времени большой объем данных по исследованию SN1987a, а также будущие перспективы исследования сверхновых с возможностями регистрации от них нейтринных сигналов обсуждались в обзорном докладе Д. Надежина. Много новых интересных идей, связанных с изучением различных стадий коллапса сверхновых и соответствующего им характера нейтринного сигнала, прозвучало в докладе известного специалиста в этой области В. Имшенника. Возможность детектирования нейтринного излучения от вспышки сверхновой с помощью изотопов железа была рассмотрена в выступлении С. Семенова.

В целом проблема детектирования нейтрино астрофизического происхождения постепенно выдвигается на одно из центральных мест как в исследовании свойств самих нейтрино, так и в поиске и идентификации наиболее удаленных космических источников таких нейтрино (доклады С. Паквасы, Э. Бугаева, В. Тихомирова). Для регистрации астрофизических, а также возможных атмосферных нейтрино сверхвысоких энергий (доклад Л. Волковой), необходимы детекторы огромного размера, которые уже принято называть нейтринными телескопами. В настоящее время только две таких установки полноценно работают. Это эксперимент на озере Байкал (доклад И. Белолаптикова) и установка в антарктическом льду AMANDA (доклад Д. Бессона). Однако очень большое внимание уделяется рассмотрению и созданию новых установок такого типа (доклад М. Чибы) со значительно большим рабочим объемом, таких как IceCube (многократно увеличенный детектор AMANDA), установки RICE и ANITA (докладчик Д. Бессон), а также подводные детекторы ANTARES (И. Сокальский)и NESTOR (В. Жуков).

Поиски проявлений новой физики в космических лучах (в частности, поведение спектра космических лучей в области так называемого колена и выше порога обрезания ГЗК) также занимают видное место в современных неускорительных исследованиях (доклады С. Славатинского, А. Петрухина, Л. Свешниковой, А. Богданова, В. Яковлева, А. Шалабаевой, В. Петкова, И. Яшина, В. Хренова), и это подтверждается тем, что на данной конференции обсуждению этих проблем было отведено отдельное заседание.

Проводимые в Дубне конференции по проблемам новой физики в неускорительных экспериментах стали традиционными и широко известными как в России, так и за ее пределами. Конференции собирают многих известных российских и зарубежных ученых, работающих в области астрофизики и космологии, физики элементарных частиц и атомного ядра, теоретиков и экспериментаторов. По общему мнению, это создает условия для плодотворного обмена идеями по проблемам, лежащим на стыке этих областей физики. Данное направление уже прочно заняло подобающее место среди самых престижных конференций, постоянно проводимых в Дубне. Конференция NANP'03 способствует развитию этой перспективной области и у нас в стране. Как показали итоги конференции, исследования в области физики нейтрино быстро развиваются, в связи с этим организаторы и участники конференции полагают, что проведение конференции в этом году было актуальным и своевременным. Принято решение следующую конференцию NANP провести в 2005 году также в Дубне.

В.А. Бедняков
В.Б. Бруданин
А.А. Смольников