Ученые из Фермилаб, лаборатории Министерства энергетики США, объявили в эту среду (27) об отсутствии доказательств существования стерильного нейтрино. Данные были получены в ходе эксперимента MicroBooNE, расположенного в Батавии, штат Иллинойс. Вывод противоречит гипотезам, выдвинутым с 1990-х годов для объяснения аномальных нейтринных осцилляций.
Результат был опубликован в журнале Nature и представляет собой веху в исследовании элементарных частиц. Поиски стерильного нейтрино набрали обороты после того, как предыдущие эксперименты зафиксировали неожиданное поведение трех известных ароматов: электрона, мюона и тау.
Подробности эксперимента MicroBooNE
В MicroBooNE используется детектор жидкого аргона емкостью 170 тонн. Аппаратура фиксирует взаимодействия нейтрино, производимых ускорителем Фермилаб.
За четыре года коллаборация проанализировала миллионы событий. В тестируемых каналах не было обнаружено сигнала, совместимого с переходом к стерильному нейтрино.
Исследователи сравнили данные с предсказаниями Стандартной модели плюс четвертое нейтрино. Несовместимость была очевидна во многих теоретических сценариях.
Контекст предыдущих аномалий
В 1990-х годах эксперименты LSND и MiniBooNE наблюдали избыточные события, которые предполагали колебания на коротких расстояниях. Эти колебания требовали массы большей, чем предсказывалось для известных нейтрино.
Гипотеза стерильных нейтрино стала элегантным объяснением. Эта частица будет взаимодействовать только посредством гравитации и может составлять часть темной материи.
- Эксперимент LSND (1993-1998): избыток электронных нейтрино
- MiniBooNE (2002-2019): неоднозначные результаты, сигнал выше ожидаемого.
- MicroBooNE (2015–2021): нет свидетельств бесплодного перехода
Последствия для Стандартной модели
Джастин Эванс, профессор Манчестерского университета и представитель MicroBooNE, заявил, что невозможно устранить аномалии, просто добавив стерильное нейтрино в Стандартную модель. Это заявление усиливает надежность нынешней теории, но оставляет открытыми вопросы о предыдущих результатах.
Мэтью Тупс, старший научный сотрудник Фермилаб, подчеркнул ясность отрицательного результата. Он поставил под сомнение то, что на самом деле наблюдалось в экспериментах, в которых сообщалось об аномалиях.
Альтернативные гипотезы на стадии анализа
Андре Де Гувеа, физик-теоретик из Северо-Западного университета, напомнил, что теоретические причины возникновения новых состояний нейтрино все еще существуют. Разница заключается в том, что эти состояния могут быть необнаружимы с помощью современных технологий.
Изучаемые объяснения включают нейтрино, которые быстро распадаются, не дойдя до детектора, и неизвестные взаимодействия с жидким аргоном. Другие модели предлагают модификации производства или транспортировки нейтрино в ускорителе.
Следующие шаги для сотрудничества
MicroBooNE завершила этап сбора данных в 2021 году. В настоящее время сотрудничество завершает дополнительный анализ с различными энергетическими характеристиками.
Результаты будут сравниваться с экспериментами SBN (Short-Baseline Neutrino), которые включают ICARUS и SBND, уже работающими на том же луче Фермилаба. Эти детекторы должны дать окончательные ответы в ближайшие годы.
Научное сообщество уделяет особое внимание DUNE, будущему проекту, который будет исследовать колебания на больших расстояниях. Между тем, загадка первоначальных аномалий остается неразгаданной.
Технологические достижения детекторов
Использование жидкого аргона в больших масштабах ознаменовало значительный прогресс. MicroBooNE продемонстрировала возможности трехмерной визуализации нейтрино-ядерных взаимодействий с высоким разрешением.
Разработанная технология послужит основой программы DUNE. Детектор позволил различать электронные и фотонные события с большей точностью, чем предыдущие эксперименты.
Это различие было важно для исключения ложных сигналов, которые можно было спутать со стерильными нейтринными переходами.
Эксперимент MicroBooNE закрывает важную главу в поисках четвертого нейтрино, но подтверждает, что в физике нейтрино все еще есть фундаментальные вопросы. Собранные данные будут и дальше исследоваться в сочетании с другими детекторами Fermilab.