Гипотезу о существовании стерильных нейтрино решили проверить совместными усилиями две научных коллаборации – MINOS+ и Daya Bay. Для проверки они решили объединить результаты своих исследований.
Нейтрино относят к элементарным частицам, потому что их невозможно расщепить на составные части. Известны три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Они могут превращаться друг в друга путем нейтринных осцилляций. Существование этого явления – нейтринных осцилляций – в 1957 предсказал советско-итальянский физик Бруно Понтекорво из Лаборатории ядерных проблем Объединенного институт ядерных исследований. В 2015 году за открытие нейтринных осцилляций присудили Нобелевскую премию по физике.
Стерильными назвали нейтрино, которые не взаимодействуют с веществом. А раз они не взаимодействуют с веществом, их невозможно обнаружить путем измерений любых их характеристик с помощью приборов. Ученые видят пока единственный шанс уловить стерильные нейтрино – наблюдая за превращениями нейтрино одного типа в нейтрино другого типа, то есть изучая нейтринные осцилляции.
В китайском эксперименте Daya Bay изучают нейтрино, который испускают расположенные по соседству с детекторами нейтрино ядерные реакторы АЭС Daya Bay. Восемь детекторов с высокой точностью регистрируют процесс превращения электронных реакторных антинейтрино в нейтрино других типов.
Похожую задачу решает американский эксперимент MINOS+. Там изучают превращения мюонных нейтрино, которые производит ускоритель Национальной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) и которые ловит подземный детектор на расстоянии 735 км от ускорителя.
Весь полученный объем экспериментальных данных очень хорошо укладывается в модель существования нейтрино трех типов. Однако участники некоторых экспериментов сообщают о наблюдении аномалии, которая может предполагать существование новых типов нейтрино. Аномалии обнаружились в эксперименте LSND Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и в эксперименте MiniBooNE в Фермилаб. В обоих случаях детекторы были облучены пучками мюонных нейтрино. Они должны были превратиться в три известных типа нейтрино, и количество ожидаемых в результате превращения частиц каждого из трех типов было заранее рассчитано исследователями. При этом электронных нейтрино в результате этих превращений получилось больше, чем ожидалось. Объяснить это превышение можно, если предположить, что в превращениях участвовало нейтрино еще одного типа – стерильное нейтрино.
«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», – считает участник эксперимента Daya Bay, заместитель директора Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ Дмитрий Наумов.
Заманчивая интерпретация нуждается в суровой проверке, чтобы разобраться, правдива она или ложна.
По словам участника коллаборации MINOS+ Александра Соза из Университета Цинциннати, тесное сотрудничество ученых из MINOS+ и Daya Bay позволило объединить два дополняющих друг друга ограничения на превращения мюонных нейтрино и электронных антинейтрино в стерильные нейтрино. Соза утверждает, что 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 коллабораций MINOS+ и Daya Bay представляется самым надежным способом проверки имеющихся на сегодняшний день указаний на стерильные нейтрино», – говорит он.
Экспертная группа Daya Bay/MINOS+ провела тщательный анализ и исключила существование особого вида осцилляций в стерильные нейтрино, которыми объясняли аномальные результаты. Группа также попыталась найти с самой высокой на сегодняшний день чувствительностью другие проявления стерильных нейтрино, установив самые строгие ограничения на существование этих неуловимых частиц.
«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, доцент кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университете в Ирвайне.
Стерильные нейтрино пока не нашли. Но надежда их найти остается.
«Совместные усилия чрезвычайно эффективны в поиске ответов на фундаментальные вопросы физики, – заявили участники эксперимента Daya Bay Кам-Бью Люк из Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли и Цзюнь Цао из Института физики высоких энергий в Пекине. – И, хотя все еще остается вероятность, что где-то там, в полумраке, притаилось стерильное нейтрино, мы существенно сократили ту область, где оно могло бы прятаться».
По материалам пресс-релиза ЛЯП ОИЯИ