Физики опровергли одну из гипотез о четвертом «стерильном» нейтрино
После почти тридцати лет поисков ученые официально объявили: стерильного нейтрино, которое считалось самым простым объяснением странного поведения обычных нейтрино, скорее всего, не существует. Это один из самых значимых результатов в физике элементарных частиц за последние годы. Результаты опубликованы в Nature.
Откуда взялась идея четвертого нейтрино
Нейтрино — крошечные частицы, которые рождаются в ядерных реакциях внутри звезд, в том числе нашего Солнца, и пронизывают нас триллионами каждую секунду. Их три «вида»: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Еще в 1960-х годах ученые заметили, что нейтрино могут менять вид на лету — явление, которое называется осцилляцией. Именно за открытие осцилляций в 2015 году дали Нобелевскую премию.
Но в 1990-х два эксперимента — LSND в Лос-Аламосе и MiniBooNE в Фермилабе — увидели нечто странное: мюонные нейтрино превращались в электронные слишком быстро и на слишком коротких расстояниях. Такое поведение невозможно объяснить тремя обычными нейтрино и известными законами физики.
Самое объективное объяснение придумали почти сразу: должен существовать четвертый тип — стерильное нейтрино. Оно не участвует в слабом взаимодействии, поэтому почти не оставляет следов в детекторах и может влиять на осцилляции «из тени». За три десятилетия эта гипотеза стала самой популярной среди физиков.
MicroBooNE: детектор, который все изменил
Чтобы проверить идею, в 2015 году запустили эксперимент MicroBooNE — огромный бак с 170 тоннами сверхчистого жидкого аргона, охлажденного до –186 °C. Когда нейтрино пролетает сквозь аргон, оно иногда сталкивается с ядром атома и рождает заряженные частицы. Те оставляют световые вспышки и ионизационные дорожки, которые фиксируют 5000 фотодетекторов и проволочные камеры.
Главное преимущество MicroBooNE — он одновременно ловил нейтрино из двух разных источников: короткого бустерного пучка (расстояние 470 м) и более мощного пучка NuMI (700 м). Это позволило сравнить результаты в одних и тех же условиях и резко сократить ошибки измерений.
С 2015 по 2021 год детектор зарегистрировал десятки тысяч взаимодействий нейтрино. Если бы стерильное нейтрино существовало с массой около 1 эВ (именно в этой области искали), оно бы оставило четкий избыток электронных нейтрино на короткой дистанции. Но ничего подобного не обнаружили.
Что показал эксперимент
Анализ данных, который длился несколько лет, показал полное отсутствие сигнала. Стерильное нейтрино с параметрами, которые объясняли бы аномалии LSND и MiniBooNE, исключено с надежностью 95 %. По сути, вся область, где могло прятаться одиночное стерильное нейтрино, закрыта.
Профессор Джастин Эванс из Манчестерского университета, один из руководителей коллаборации, говорит:
«Всякий раз, когда вы исключаете одно место, где может существовать физика за пределами "Стандартной модели", это заставляет вас искать другие области. Этот результат действительно подстегнет творческий импульс в сообществе физиков нейтрино, чтобы придумать еще более захватывающие способы поиска новой физики.
Иногда наука — это не только то, что вы обнаруживаете, но и то, чего вы не обнаруживаете».
Кто сделал результат возможным
Британские ученые сыграли ключевую роль. Доктор Елена Грамеллини из Манчестера руководила анализом данных с пучка NuMI, а профессор Роксанна Генетт разработала всю стратегию поиска короткобазовых осцилляций еще на этапе проектирования детектора.
Мэтью Тупс из Фермилаба добавляет:
«Очень интересно заниматься как передовой наукой, которая оказывает большое влияние на нашу область, так и разрабатывать новые методы, которые будут поддерживать и делать возможными будущие научные измерения».
Что дальше
Загадка осталась: аномалии LSND и MiniBooNE никуда не делись. Теперь ученые рассматриют более экзотические варианты: несколько стерильных нейтрино, нестандартные взаимодействия, распад нейтрино или даже связь с темной материей. В Фермилабе уже идет программа Short-Baseline Neutrino с тремя детекторами, а в ближайшие годы запустят гигантский DUNE. Технологии, отработанные на MicroBooNE, станут основой для этих проектов.
