Нейтрино и их осцилляции в магнитных полях:
от первых исследований до новых эффектов

(по материалам докладов, сделанных автором на Методологическом семинаре физического факультета МГУ, май 2004 г. и на XXI Международной конференции по физике нейтрино и астрофизике, Париж, июнь 2004 г.)

Нейтрино на протяжении уже многих десятилетий (предсказание о существовании этой частицы было сделано В.Паули в 1929 г.) находится в центре внимания исследователей. Ключевая роль нейтрино в физике элементарных частиц проявилась как при создании первой теоретической модели слабых взаимодействии - теории Ферми - в начале 30-х годов прошлого века, так и при открытии несохранения четности в слабых взаимодействиях в середине 50-х годов. Свойства нейтрино также в значительной степени определяют структуру современной теории электрослабых взаимодействий Вайнберга-Салама-Глешоу - так называемой стандартной модели взаимодействия.

На 2004 год приходится сразу несколько примечательных, юбилейных дат в истории развития исследований нейтрино. Прежде всего - это 40-летний юбилей начала проведения одного из ключевых экспериментов в физики нейтрино: в 1964 году Р.Дэвис в золотоносной шахте в Хоумстейке (Южная Дакота, США) приступил к подготовке первого эксперимента по регистрации потока нейтрино, идущего на Землю от Солнца. Эти исследования, которые велись с небольшим перерывом до конца 80-х годов прошлого века, позволили выявить существенное разногласие между величиной приходящего на Землю потока солнечных нейтрино и теоретическими предсказаниями, которые основаны на расчетах нейтринного потока в соответствии с общепринятой стандартной моделью электрослабых взаимодействий. Возникшая таким образом проблема (которую обычно называют проблемой солнечных нейтрино) стала первым веским указанием на то, что свойства нейтрино не укладываются в рамки стандартной модели электрослабых взаимодействий. В 2002 году Р.Дэвису за проведенные исследования потока солнечных нейтрино была присуждена Нобелевская премия.

Отметим, что к настоящему времени убедительные свидетельства о существовании указанной проблемы получены ещё в нескольких экспериментах по регистрации потока солнечных нейтрино, выполненных коллаборациями SAGE (Баксан, Россия), GALLEX-GNO (Гран Сассо, Италия), Super-Kamiokande (Камиока, Япония) и SNO (Садбери, Канада).

Большинство ученых, исследующих нейтрино, убеждены, что решение проблемы солнечных нейтрино удается получить на основе выдвинутой в 1957 году Б.Понтекорво гипотезе о смешивании различных типов нейтрино и возможности переходов (осцилляций) между ними в процессе распространения. В настоящее время считается практически доказанным, что в результате резонансного усиления осцилляций нейтрино в веществе внутренних областей Солнца значительное количество электронных нейтрино переходит в другие типы флейворных нейтрино (эффект Михеева-Смирнова-Вольфенштейна), что и приводит к дефициту потока электронных нейтрино, регистрируемых в земных экспериментальных установках.

За последние пять-шесть лет в экспериментах по измерению потоков нейтрино, попадающих в детекторы из верхних слоев атмосферы (коллаборация Super-Kamiokande), ядерных реакторов (коллаборация KamLand, Япония) и ускорителей элементарных частиц (например, коллаборация K2K, Япония), получены дополнительные веские доказательства в пользу смешивания и осцилляций между различными типами флейворных нейтрино.

Отметим, что смешивание и осцилляции нейтрино возможны только при наличии у нейтрино ненулевой массы. Массивное нейтрино, как показывают теоретические расчеты, вдобавок будет иметь и ненулевой магнитный момент. Следовательно, массивное нейтрино, хотя и является электрически нейтральной частицей, может обладать нетривиальными электромагнитными свойствами и "чувствовать" присутствие, например, внешних магнитных полей.

Для массивного нейтрино с ненулевым магнитным моментом лево-спиральные (т.е., состояния с противоположной ориентацией магнитного момента и импульса частицы) и право-спиральные состояния можно рассматривать как два различных типа нейтрино. Лево-спиральные и право-спиральные нейтрино обладают существенно различающимися по интенсивности взаимодействиями с другими частицами. Право-спиральные нейтрино, в отличие от лево-спиральных, крайне слабо взаимодействуют со средой, поэтому за ними закрепилось название "стерильные" нейтрино. При этом возникает возможность для нового типа осцилляций нейтрино, связанных с переходами под действием магнитного поля между лево-спиральными и право-спиральными состояниями. Такие осцилляции нейтрино (которые называются спиновыми осцилляциями) и возможность на их основе объяснить дефицит солнечных нейтрино в земных детекторах рассматривались А.Киснеросом (1971 г.) и более детально Л.Окунем, М.Волошиным и М.Высоцким (1985 г.). В 1988 году был также предсказан (Е.Ахмедов; Ц.-С.Лим и В.Марсиано) эффект резонансного усиления спиновых осцилляций нейтрино в присутствии замагниченного вещества.

В связи с вопросом о влиянии магнитных полей на нейтрино уместно вспомнить ещё об одной круглой дате в истории развития исследований нейтрино. Речь идет о первых теоретических исследований процесса бета-распада нейтрона n p + e + ?e в магнитном поле, которые были начаты на кафедре теоретической физики физического факультета в работах И.М.Тернова, Б.А.Лысова и Л.И.Коровиной также 40 лет назад. Очевидно, что магнитное поле через влияние на заряженные протон и электрон оказывает воздействие и на электронное антинейтрино, образующиеся при бета-распаде. Теоретические работы по бета-распаду и родственным ему процессам в магнитных полях нашли очень важные приложения в астрофизике, где, как хорошо известно, нейтрино играет ключевую роль в процессах остывания звезд, а напряженности характерных магнитных полей могут достигать громадных величин. Отмеченные здесь работы по бета-распаду в магнитном поле дали начало развитию целого нового направления - нейтринной астрофизике в магнитном поле, которое в настоящее время привлекает повышенный интерес исследователей.

На протяжении более чем десяти последних лет в руководимой мною научной группе, в состав которой входят студенты, аспиранты и сотрудники кафедры теоретической физики, а также ученые из других научных организаций, ведутся исследования различных вопросов теории взаимодействия и осцилляций нейтрино в электромагнитных полях и веществе. В течение последних двух лет мы совместно с аспирантами кафедры А.М.Савочкиным и С.А.Шинкевичем и сотрудником Астрокосмического центра Физического института РАН, кандидатом физико-математических наук В.Л.Кауцом изучили новые аспекты влияния сильных магнитных полей на протекание бета-распада нейтрона и родственных ему кросс-симметричных процессов, которые, как оказалось, важны при остывании замагниченных нейтронных звездах.

Значительная часть исследований, которые проводятся в нашей группе в последние десять лет, посвящены развитию теории осцилляций нейтрино в электромагнитных полях и веществе. В этой работе принимали и принимают участие аспиранты кафедры Г.Г.Лихачев (кандидатская диссертация защищена в 1995 году), А.М.Егоров (кандидатская диссертация защищена в 2001 году), М.С.Дворников (кандидатская диссертация защищена в 2004 году), А.В.Григорьев (срок окончание аспирантуры - 2006 год), старший научный сотрудник А.Е.Лобанов (докторская диссертация защищена в октябре текущего года). Наиболее важные полученные нами в теории осцилляций нейтрино результаты сводятся к следующему:

1. 1) разработан новый подход к описанию осцилляций нейтрино, который впервые позволил поставить и решить вопрос об осцилляциях в электромагнитных полях произвольной конфигурации;
2. 2) впервые проведено изучение флейворных и спиновых осцилляций нейтрино, распространяющихся в движущейся с большой скоростью среде (подобные задачи возникают, например, в астрофизике при описании релятивистских потоков вещества в квазарах и явлений, приводящим к гамма-вспышкам);
3. 3) построена теория эволюции спина нейтрино во внешних полях (в том числе электромагнитных и гравитационных) и при наличии плотного вещества;
4. 4) предсказана возможность нового механизма излучения электромагнитных волн при движении нейтрино в веществе и/или гравитационных полях (мы назвали этот новый эффект как "спиновый свет нейтрино" в веществе и гравитационном поле).

Отметим, что данное направление исследований представляется очень перспективным, и мы планируем активно продолжать работу с привлечением новых студентов в нашу группу. Совместная работа со студентами обычно начинается в рамках двух специальных курсов ("Взаимодействие элементарных частиц в электромагнитных полях" и "Введение в физику нейтрино"), которые я читаю на физическом факультете. Для научных докладов и дискуссий под моим руководством работает специальный научный семинар кафедры теоретической физики "Взаимодействия частиц во внешних полях". Студенты и аспиранты нашей группы активно участвуют в работе семинара и имеют возможность представить на нем свои научные результаты. Для докладов на этот научный семинар приглашаются также ученые из других отечественных и зарубежных организаций. При проведении исследований наша группа сотрудничает со специалистами из Физического институтка РАН, Объединенного института ядерных исследований, Института экспериментальной и теоретической физики, Института ядерных исследований, Московского физико-технического института, а также с учеными из Неаполя, Лиссабона и Сакле. Члены группы (в том числе аспиранты и студенты) регулярно выступают с докладами на международных конференциях в России и за границей. В течение последнего года нами были представлены и сделаны доклады на различных научных мероприятиях и в университетах Германии, Италии, Франции и США.

А. Студеникин, профессор
кафедры теоретической физики