Недавний международный анализ данных, проведённый на основе результатов эксперимента MicroBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (США), поставил под сомнение одну из давно обсуждавшихся гипотез в физике частиц: существование «стерильного» нейтрино как объяснение аномальных результатов прошлых наблюдений. Новые данные исключают этот вариант и сужают рамки возможных интерпретаций явлений, противоречащих стандартной модели физики элементарных частиц.
Что такое нейтрино и почему они важны
Нейтрино — это фундаментальные частицы, которые входят в стандартную модель физики частиц и относятся к числу самых многочисленных в Вселенной. Они почти не взаимодействуют с веществом, пропускаясь сквозь планеты, звёзды и даже человеческое тело с минимальным взаимодействием через слабое и гравитационное взаимодействия.
Существуют три известных «вкуса» нейтрино (электронное, мюонное и тау-нейтрино), которые могут трансформироваться друг в друга во время движения — явление, называемое осцилляциями нейтрино. Наблюдения этих осцилляций стали ключевым доказательством того, что нейтрино имеют массу, что выходит за рамки первоначального представления стандартной модели.
Гипотеза «стерильного» нейтрино
Для объяснения ряда необычных результатов прошлых экспериментов (в частности, аномального уменьшения числа зарегистрированных нейтрино в некоторых энергиях) учёные предположили возможное существование четвёртого типа нейтрино — так называемого стерильного нейтрино. В отличие от трёх «активных» нейтрино, стерильное нейтрино не взаимодействует через слабое взаимодействие, а только через гравитацию, что делает его крайне трудным для прямого обнаружения.
Такая частица могла бы объяснить ряд отклонений в данных прошлых экспериментов, включая результаты MiniBooNE и LSND, которые фиксировали избыточное число электронных нейтрино или их исчезновения в условиях, когда это не ожидалось с точки зрения стандартной модели.
Что обнаружил эксперимент MicroBooNE
Эксперимент MicroBooNE, работающий в составе программы короткой базовой линии (Short-Baseline Neutrino Program) на базе Fermilab, использует детектор на основе жидкого аргона (LArTPC), чтобы фиксировать взаимодействия нейтрино с очень высокой пространственной точностью.
Последние результаты анализировали реакции нейтрино из двух различных пучков — Booster Neutrino Beam (BNB) и NuMI (Neutrinos at the Main Injector) — с целью проверить, может ли наблюдаемая аномалия быть объяснена переходом активных нейтрино в гипотетическое стерильное состояние и обратно.
Результаты показали, что нет убедительных доказательств существования стерильного нейтрино в том виде, который мог бы объяснить старые аномалии. MicroBooNE исключил значительную часть параметрического пространства (в том числе область масс и смешиваний), где такое нейтрино могло бы быть обнаружено, тем самым оспорив один из наиболее обсуждаемых вариантов интерпретации предыдущих данных.
Что именно было исключено
В рамках анализа MicroBooNE были поставлены ограничения на возможное осциллирование активных нейтрино в стерильное состояние:
- Комбинация данных от двух пучков нейтрино исключила большую часть возможных параметров, где могла бы появляться светлая стерильная нейтрино.
- Это означает, что объяснение аномальных результатов через переходы в один дополнительный нейтрино-тип (4-ю степень свободы) больше не согласуется с современными экспериментальными данными.
Однако стоит подчеркнуть: данное исключение относится к конкретной модели с одним стерильным нейтрино, и вовсе не значит, что все возможные варианты расширений стандартной модели полностью исключены — просто данная реализация теперь считается крайне маловероятной.
Почему это важно для физики частиц
Результаты MicroBooNE — это значительный шаг вперёд в понимании структуры нейтрино и фундаментальных взаимодействий:
- Уточнение стандартной модели: отсутствие подтверждения стерильного нейтрино укрепляет текущую модель с тремя активными нейтрино и исключает один из простейших вариантов её расширений.
- Обновление интерпретаций прошлых аномалий: данные MiniBooNE и LSND остаются актуальными, но теперь их объяснение требует иных механизмов или уточнённых моделей взаимодействий и осцилляций.
- Фокус будущих экспериментов: исключение простейшего стерильного решения позволяет направить усилия исследователей на более сложные модели и на эксперименты с большей чувствительностью, такие как будущая программа DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment).
Будущие направления исследований
По словам участников проекта, работа в области нейтринной физики продолжится с ещё большей точностью. Следующие шаги включают:
- Глубокое изучение осцилляций с помощью больших детекторов, таких как DUNE, который будет позволять регистрировать нейтрино после их прохождения сотен километров.
- Анализ различий поведения нейтрино и анти-нейтрино, который может дать информацию о симметриях Вселенной и происхождении материи.
- Работа над моделями, учитывающими альтернативные механизмы взаимодействий и возможную связь с другими явлениями физики за пределами стандартной модели.
Заключение
Новое исследование MicroBooNE исключает одну из ключевых версий существования стерильного нейтрино, которая до сих пор рассматривалась как возможное объяснение аномалий прошлых нейтринных экспериментов. Этот результат важен для физиков элементарных частиц, поскольку делает картину нейтрино более строгой и фокусирует внимание на других механизмах, которые могли бы объяснить наблюдаемые отклонения.
Работа продолжается, и будущее исследование нейтрино, включая проекты с длинной базой, обещает ещё более глубокое понимание этих загадочных частиц и их роли в устройстве Вселенной.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
