Исключили возможность появления четвертого нейтрино
Ученые сделали важный шаг к разгадке давней загадки физики элементарных частиц, не обнаружив никаких признаков частицы, которая, как многие надеялись, могла бы это объяснить. Международная группа ученых, в том числе из Манчестерского университета, работающая над экспериментом MicroBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, объявила, что они не нашли доказательств существования четвертого типа нейтрино, известного как стерильное нейтрино.
На протяжении десятилетий в ходе физических экспериментов наблюдалось, что нейтрино — субатомные частицы, которые находятся повсюду вокруг нас, - ведут себя таким образом, который не вписывается в стандартную модель физики элементарных частиц. Одним из наиболее многообещающих объяснений было существование стерильных нейтрино, названных так потому, что, согласно прогнозам, они вообще не взаимодействуют с веществом, в то время как другие нейтрино могут. Это означает, что они могут проходить через Вселенную практически незамеченными.
Как прошел эксперимент с МикроБунОМ
Используя высокочувствительный детектор под названием MicroBooNE, расположенный на двух разных нейтринных пучках, исследователи наблюдали за поведением тысяч нейтрино в течение нескольких лет. Если бы четвертое нейтрино существовало, оно оставило бы четкий отпечаток. Результат, опубликованный в журнале Nature, показывает, что доказательств не было, и с 95%-ной уверенностью исключает объяснение одним стерильным нейтрино.
Джастин Эванс, профессор физики элементарных частиц в Манчестерском университете и сопредседатель MicroBooNE, сказал: "Каждый раз, когда вы исключаете одно место, где физика может быть за пределами стандартной модели, это заставляет вас искать в других местах. Это результат, который по-настоящему подтолкнет сообщество нейтринных физиков к поиску еще более захватывающих способов поиска новых физических явлений. Иногда наука в равной степени зависит от того, чего вы не находите, и от того, что вы делаете".
Манчестерский университет сыграл ведущую роль в этом прорыве. Доктор Елена Грамеллини была движущей силой физической программы эксперимента с использованием NuMI beam — важнейшей части анализа, лежащего в основе этого результата. Профессор Роксанна Генетт была одним из создателей программы MicroBooNE по исследованию колебаний с короткой базовой линией, которая помогла разработать стратегию, используемую для изучения вопроса о стерильных нейтрино. Новая статья основана непосредственно на этой фундаментальной работе.
Общие сведения о нейтрино и прошлых экспериментах
Нейтрино бывают трех известных типов, или разновидностей: мюонные, электронные и тау-частицы. По мере своего распространения они могут переходить из одного типа в другой. Но это изменение вкусов не может быть полностью объяснено существующей стандартной моделью.
В некоторых более ранних экспериментах — LSND и MiniBooNE — также были сделаны наблюдения, свидетельствующие о том, что мюонные нейтрино превращались в электронные нейтрино на более коротких расстояниях, чем это было возможно.
"Они увидели изменение аромата по шкале длин, которое просто не согласуется с тем, что нейтрино всего три, - объяснил профессор Эванс. - И самым популярным объяснением аномалии за последние 30 лет является то, что нейтрино стерильны".
Что означают результаты для физики
В ходе эксперимента были собраны данные за период с 2015 по 2021 год, полученные при наблюдении нейтрино с помощью ускорительного нейтринного пучка Fermilab и NuMI beam. MicroBooNE - это первый эксперимент, в ходе которого был проведен стерильный поиск нейтрино с помощью одного детектора и двух пучков одновременно. Это уменьшает неопределенность в результатах MicroBooNE, позволяя исключить почти всю благоприятную область, в которой может скрываться одно стерильное нейтрино.
Хотя этот результат исключает одно из объяснений аномалий, наблюдаемых в поведении нейтрино, сама загадка остается загадкой. В настоящее время ученые анализируют оставшиеся данные, полученные с помощью микронаушника, и другие эксперименты в рамках программы нейтрино с короткой базовой линией также проводятся.
В дополнение к поиску новой физики, сотрудничество с MicroBooNE дает представление о том, как нейтрино взаимодействуют в жидком аргоне, что является важным показателем, который поможет в других экспериментах с использованием камеры временной проекции в жидком аргоне, таких как эксперимент Deep Underground Neutrino.
Мэтью Тупс (Matthew Toups), старший научный сотрудник Fermilab и сопредседатель MicroBooNE, сказал: "Это действительно захватывающе - заниматься как передовыми научными разработками, которые оказывают существенное влияние на нашу область, так и разработкой новых методов, которые будут поддерживать и делать возможными будущие научные измерения".
