Международная команда физиков объединила свои усилия в погоне за стерильными нейтрино
Нейтринные эксперименты MINOS+ и Daya Bay объединили результаты своих исследований, чтобы подвергнуть тщательной проверке гипотезу о существовании стерильных нейтрино.
Международная группа из более чем 260 ученых установила наиболее строгие ограничения гипотезы о существовании стерильных нейтрино. Ученые двух крупных международных коллабораций: эксперимента Daya Bay (Китай) и эксперимента MINOS+ (Фермилаб, США), на страницах журнала Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 125, 071801 (2020)) сообщают о выводах проведенного анализа, которые исключают осцилляции в стерильное нейтрино как основное объяснение неожиданных результатов наблюдений в недавних экспериментах LSND и MiniBooNE.
Нейтрино являются элементарными частицами, которые, как и электроны, невозможно расщепить на составные части. Они не похожи на другие известные частицы, потому что способны беспрепятственно проникать сквозь огромные пласты материи.
На сегодняшний день известны три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Двумя десятилетиями ранее ученые обнаружили, что нейтрино могут переходить из одного типа в другой благодаря явлению, называемому «нейтринными осцилляциями», — открытию, предсказанному сотрудником Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (г. Дубна) Б.М. Понтекорво еще в 1957 году, за которое была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год. Например, нейтрино, рожденное электронным, путешествуя в пространстве, может стать мюонным или тау-нейтрино.
И хотя сегодня весь полученный объем данных очень хорошо укладывается в модель существования нейтрино трех типов, участники некоторых экспериментов сообщают о наблюдении аномалии, которая может предполагать существование новых типов нейтрино. Это эксперимент LSND Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и эксперимент MiniBooNE в Фермилабе. В обоих случаях детекторы были облучены пучками мюонных нейтрино и наблюдалось превышение числа кандидатов-событий с электронными нейтрино по сравнению с ожидаемым с учетом осцилляций трёх известных типов нейтрино. В то же время, полученные результаты хорошо согласуются, если предположить, что в этих процессах участвовало нейтрино еще одного типа — стерильное нейтрино. Стерильные нейтрино невозможно зарегистрировать напрямую, поскольку они не взаимодействуют с веществом. Но есть шанс обнаружить их через осцилляции с тремя известными типами нейтрино. Новые результаты анализа Daya Bay и MINOS+ ставят это под сомнение.
В эксперименте Daya Bay задействованы восемь детекторов для регистрации с высокой точностью процесса «исчезновения» электронных реакторных антинейтрино, или, другими словами, их превращения в нейтрино других типов. Аналогичную задачу решает и эксперимент MINOS+, который изучает исчезновение мюонных нейтрино, порождаемых ускорителем в Фермилабе и направляемых к подземному детектору, расположенному в 735 км от источника в Северной Миннесоте.
«Ставки высоки. Интерпретация очень заманчивая. Если бы она нашла подтверждение, это вызвало бы революцию в физике. Стерильные нейтрино оказались бы первыми частицами, найденными за рамками Стандартной модели — наиболее точной современной теории, описывающей все известные элементарные частицы и их взаимодействия. Они также могли бы стать частицами-кандидатами на роль темной материи, что оказало бы серьезное влияние на развитие космологии», поясняет участник эксперимента Daya Bay д.ф.-м.н Д. В. Наумов, заместитель директора ЛЯП ОИЯИ.
«Тесное сотрудничество ученых из MINOS+ и Daya Bay позволило объединить два признанных дополняющих друг друга ограничения на превращения мюонных нейтрино и электронных антинейтрино в стерильные нейтрино», рассказал Александр Соза (Alexandre Sousa), доцент кафедры физики Университета Цинциннати и ученый из MINOS+, принимавший участие в экспертном анализе. Исчезновение обеих частиц произойдет в том случае, если электронное (анти)нейтрино появится в пучке из источника мюонных (анти)нейтрино в результате осцилляций с одним стерильным нейтрино. «Поэтому объединение результатов представляется самым надежным способом проверки имеющихся на сегодняшний день указаний на стерильные нейтрино».
По словам научного сотрудника ЛЯП к.ф.-м.н. М.О. Гончара, заместителя руководителя проекта Daya Bay, точность измерений исчезновений нейтрино в экспериментах Daya Bay и MINOS+ настолько высока, что они по существу исключают возможность объяснения наблюдаемой аномалии в экспериментах LSND, MiniBooNE и других в области расщепления масс 10-4 eV2 ≲ Δm241 ≲ 100 eV2 одним лишь только существованием осцилляций стерильных нейтрино.
«Мы все были бы чрезвычайно рады найти подтверждение существования стерильных нейтрино, но собранные на сегодняшний день данные не предоставляют никаких достоверных сведений о наличии какого-либо нового типа осцилляций с участием этих экзотических частиц», отмечает участник эксперимента Daya Bay Педро Очоа-Рику (Pedro Ochoa-Ricoux), доцент кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университете в Ирвайне.
Экспертная группа Daya Bay/MINOS+ не только провела тщательный анализ и исключила существование особого вида осцилляций в стерильные нейтрино, обычно используемых для объяснения аномальных результатов, но и предприняла попытку поиска с самой высокой на сегодняшний день чувствительностью других сигнатур стерильных нейтрино, установив самые строгие ограничения на существование этих неуловимых частиц.
«В обоих экспериментах используются несколько детекторов с хорошо известными характеристиками и уже набрано беспрецедентно большое количество событий. Требования согласованности между наборами данных этих двух экспериментов обеспечивают серьезную проверку существования стерильных нейтрино», заявили Дженни Томас (Jenny Thomas), руководитель эксперимента MINOS+, профессор Университетского колледжа в Лондоне, и Кэрол Ланг (Karol Lang), профессор Техасского университета в Остине.
«Совместные усилия чрезвычайно эффективны в поиске ответов на фундаментальные вопросы физики», совместно заявили Кам-Бью Люк (Kam-Biu Luk), представитель эксперимента Daya Bay, ученый Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли, а также Калифорнийского университета в Беркли, и Цзюнь Цао (Jun Cao) из Института физики высоких энергий в Пекине. «И, хотя всё еще остается вероятность, что где-то там, в полумраке, притаилось стерильное нейтрино, мы существенно сократили ту область, где оно могло бы прятаться».
На рисунке показано сравнение ограничения на sin22θµe по совместным данным экспериментов MINOS, MINOS+, Daya Bay и Bugey-3 на уровне достоверности 90% с разрешёнными областями по данным LSND и MiniBooNe на уровне достоверности 90%. Показаны также области, исключённые на уровне достоверности 90% коллаборациями KARMEN2 и NOMAD.
Елена Дубовик
По материалам совместного пресс-релиза коллабораций MINOS+ и Daya Bay.
Новости науки
