Ученые, работающие над экспериментом Micro Booster Neutrino Experiment (MicroBooNE), опубликовали в журнале Nature результаты, которые исключают существование стерильного нейтрино (гипотетического типа нейтрино, которое не взаимодействовало бы посредством слабого ядерного взаимодействия, только гравитации) — частицы, которая десятилетиями предлагалась в качестве возможного объяснения загадочного поведения нейтрино. Это закрывает дверь для одной из самых популярных теорий в этой области, оставляя саму загадку нерешенной.
Нейтрино (крошечные, труднообнаруживаемые элементарные частицы, являющиеся одними из самых распространенных во Вселенной) присутствуют повсюду. «Нейтрино — неуловимые элементарные частицы, которые трудно обнаружить экспериментально, но они являются одними из самых распространенных частиц во Вселенной», — сказал Дэвид Карателли, доцент физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. Предыдущие эксперименты показали результаты, не соответствующие ожиданиям, что вызвало предположения о четвертом типе нейтрино, называемом стерильным нейтрино. Однако данные MicroBooNE не подтвердили эту идею.
Стандартная модель физики элементарных частиц (теоретическая основа, описывающая известные элементарные частицы и силы, но не включающая гравитацию, темную материю или темную энергию) объясняет большинство известных частиц и сил, но не все. «Мы знаем, что Стандартная модель отлично описывает множество явлений в природе», — сказал старший научный сотрудник Фермилаба Мэтью Тупс. «И в то же время мы знаем, что она неполна. Она не учитывает темную материю, темную энергию или гравитацию». Нейтрино — одна из областей, где модель дает сбой. Когда-то считалось, что они не имеют массы, но эксперименты показали, что они меняются между тремя «ароматами» (электронный, мюонный и тау-типы, между которыми нейтрино могут трансформироваться в процессе, называемом нейтринным осциллированием), что возможно только при наличии у них массы.
В 1990-х годах эксперименты в Лос-Аламосе и Фермилабе выявили странные результаты, указывающие на то, что мюонные нейтрино превращаются в электронные нейтрино способами, которые невозможно объяснить только тремя ароматами. «Наиболее популярным объяснением этих аномалий на протяжении последних 30 лет было гипотетическое стерильное нейтрино», — сказал Джастин Эванс, профессор Манчестерского университета.
MicroBooNE был создан для более детального изучения этих аномалий. В период с 2015 по 2021 год команда собирала данные с использованием пучков нейтрино в Фермилабе и жидкоаргонового детектора (устройства, использующего сверххолодный жидкий аргон для регистрации треков заряженных частиц посредством ионизации). Недавняя статья представляет первый анализ с использованием всех пяти лет данных, с экспозицией 1.11×10²¹ протонов на мишень (мера того, сколько частиц в пучке ускорителя попадает в материал мишени), что на 70% больше по сравнению с предыдущими результатами. Исследование было сосредоточено на низкоэнергетических взаимодействиях электронных нейтрино, с акцентом на две выборки: одну с видимыми протонами и одну без. Данные достаточно хорошо соответствовали прогнозам, с объединенными p-значениями (статистическими мерами вероятности того, что наблюдаемые результаты могли возникнуть случайно) не менее 26,7%, хотя в некоторых областях прогнозы были немного выше, чем данные.
Команда также протестировала две модели, разработанные для объяснения избытка событий, похожих на электронные нейтрино, обнаруженного в MiniBooNE. Одна модель анализировала результаты по энергии нейтрино, а другая сопоставляла распределения энергии ливня и углов. MicroBooNE исключил электронно-подобную интерпретацию избытка MiniBooNE на основе этих моделей с уровнем достоверности более 99% (статистическая мера, указывающая на чрезвычайно сильное доказательство против истинности гипотезы). «По сути, мы искали эффект появления новых электронных нейтрино, вызванного этим явлением осцилляции», — пояснил Карателли. Отсутствие таких сигналов исключило стерильное нейтрино.
Хотя это закрывает одну из версий, загадка остается. «Я думаю, для нас это своего рода смена парадигмы», — сказал Карателли. Исследователи теперь изучают другие возможности, например, могут ли фотоны или другая новая физика объяснить аномалии. На горизонте появляются более крупные эксперименты, включая Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) в Южной Дакоте, который станет самым большим нейтринным детектором из когда-либо построенных. «MicroBooNE большой — он размером со школьный автобус. Но DUNE размером с футбольное поле», — сказал Карателли. Его чувствительность может помочь ответить не только на вопросы о нейтрино, но и о том, почему во Вселенной материи больше, чем антиматерии.
Карателли добавил, что уроки, извлеченные из MicroBooNE, будут направлять будущую работу. «Одна из ключевых вещей, которую сделал MicroBooNE, — это придал нам всем уверенности и научил нас, как использовать эту технологию для высокоточного измерения нейтрино», — сказал он. «То, чему мы научились с MicroBooNE по анализу данных, поступающих в детектор, напрямую применимо к DUNE».
Источник: UC Santa Barbara, APS
Эта статья была сгенерирована с помощью ИИ и отредактирована. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года этот материал используется в целях новостного освещения. Добросовестное использование — это использование, разрешенное статутом об авторском праве, которое в противном случае могло бы нарушать закон.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
