Нобелевская премия по физике — 2015: - 4. В середине 1990-х годов рабочий объем детектора был кардинально увеличен, и установка получила звонкую приставку «супер-». Это позволило резко поднять темп регистрации нейтрино и уменьшить погрешности. В 1998 году на конференции по физике и астрофизике нейтрино Такааки Кадзита от имени коллаборации сделал доклад, в котором приводил новые данные Super-Kamiokande не только по величине потоков, но и по их угловому распределению. Такие данные были и раньше, но тогда погрешности не позволяли заметить ничего необычного. Из доклада Такааки Кадзиты стало совершенно очевидно, что с противоположной стороны Земли прилетает гораздо меньше мюонных нейтрино, чем сверху (рис. 4).
Рис. 4. Слайд с презентации Такааки Кадзиты с явным указанием на то, что нейтрино осциллируют. Изображение с сайта symmetrymagazine.org
Для электронных нейтрино такой закономерности не наблюдалось (рис. 5). Если бы не было осцилляций, потоки снизу и сверху были бы примерно равны. «Пропажа» далеких мюонных нейтрино означает, что на своем тысячекилометровом пути к детектору существенная их часть успела превратиться в другие нейтрино. Более того, даже понятно в какие: это не электронные нейтрино, поскольку их поток практически не изменился; значит, это тау-нейтрино, которые детектор не отслеживал.
Рис. 5. Потоки электронных и мюонных нейтрино низких и высоких энергий, пришедших с разных направлений. Угол Θ отсчитывается от зенита; значение cos Θ = 1 отвечает нейтрино, идущим сверху вниз, cos Θ = −1 — идущим снизу вверх, cos Θ = 0 — идущим горизонтально. Голубые полоски показывают ожидаемый поток в предположении, что нейтрино не осциллируют, красная гистограмма — поток с учетом осцилляций. График из статьи Neutrino oscillations, подготовленной по заказу Нобелевского комитета физическим отделением Шведской академии наук
В том же году коллаборация публикует статью Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos, в которой об осцилляциях сообщается как об открытом факте. Там же приводятся первые оценки разницы нейтринных масс и параметров осцилляций. Спустя несколько месяцев два других нейтринных детектора, Soudan-2 и MACRO, тоже измерили зависимость потоков от зенитного угла и полностью подтвердили результат японской группы. То, о чем давно мечтали теоретики, стало обретать контуры реальности, стало соответствовать нашему миру. Обзор ситуации по состоянию на 2000 год можно найти в заметке Нейтрино, его масса и осцилляции
Надо добавить, что все эти первоначальные свидетельства в пользу нейтринных осцилляций были получены в «экспериментах по исчезновению». Это эксперименты такого типа, когда мы измеряем поток, видим, что он слабее, чем ожидалось, и догадываемся, что искомые нейтрино превратились в другой сорт. Для большей убедительности нужно тот же процесс увидеть и напрямую, через «эксперимент по возникновению» нейтрино. Такие эксперименты сейчас тоже ведутся, и их результаты согласуются с экспериментами по исчезновению. Например, в ЦЕРНе есть специальная ускорительная линия, которая «стреляет» мощным пучком мюонных нейтрино в направлении итальянской лаборатории Гран-Сассо, находящейся за 732 км от нее. Установленный в Италии детектор OPERA ищет в этом потоке тау-нейтрино. За пять лет работы OPERA поймала уже пять тау-нейтрино, так что это окончательно доказывает реальность обнаруженных ранее осцилляций.
Акт второй: солнечная аномалия
Вторая загадка нейтринной физики, требовавшая разрешения, касалась солнечных нейтрино. Нейтрино рождаются в центре Солнца в ходе термоядерного синтеза, они сопровождают те реакции, за счет которых Солнце и светит. Благодаря современной астрофизике мы хорошо знаем, что должно происходить в центре Солнца, а значит, можем вычислить темп производства там нейтрино и их поток, попадающий на Землю. Измерив этот поток в эксперименте (рис. 6), мы тем самым сможем впервые заглянуть прямо в центр Солнца и проверить, насколько хорошо мы понимаем его устройство и работу.
Рис. 6. Поток солнечных нейтрино, выраженный в солнечных нейтринных единицах, по результатам эксперимента Homestake. Красный пунктир показывает предсказания солнечной стандартной модели. Изображение с сайта lappweb.in2p3.fr