Физики не нашли никаких следов стерильных нейтрино

Эксперимент исследовательского центра Фермилаб MicroBooNE является одним из многих экспериментов, которые ищут то, что один из родителей квантовой механики Вольфганг Паули называл «крайним средством» («desperate remedy»). Так Паули окрестил нейтрино — электрически нейтральные легкие частицы с половинным спином, которые уносят с собой остаток утраченной ядром энергии при бета-распаде. Это объяснило проблемы с законом сохранения энергии в радиоактивных распадах.

Паули к ним так отнесся, поскольку считал, что нам не суждено их никогда зафиксировать. Однако, с 1930 года физика элементарных частиц прошла долгий путь, и сегодня экспериментаторы ежедневно выявляют нейтрино. В рамках нейтринной модели, каждому лептонов — составляющей материи — принадлежит по одному нейтральном компаньону, которых назвали нейтрино. Поэтому вместе с кварками материю составляют электроны, мюоны и тау-лептоны, отличающиеся только массой, и их нейтрально заряженные соответствия электронное, мюонное и тау нейтрино.

Впрочем, как это часто случается с элементарными частицами, теория не сошлась с экспериментами. Так наблюдение за потоками нейтрино от Солнца и космических лучей показали, что электронных и мюонных нейтрино в них гораздо меньше, чем требует Стандартная модель. Так появился механизм нейтринных осцилляций, которым физики описали преобразования нейтрино различных типов друг на друга, а в 2015 году получили за это Нобелевскую премию.

Нейтрино производятся многими источниками, включая Солнце, атмосферу, ядерные реакторы и ускорители частиц. И поскольку их преобразования носят вероятностный характер, благодаря открытию нейтринных осцилляций, физики смогли предвидеть, сколько нейтрино определенного типа они могут увидеть, измеряя их на различных расстояниях от источника.

Ученые изучали пучки мюонных антинейтрино, чтобы увидеть, сколько из них осциллируются в другой тип на коротком расстоянии. Разница их масс вышла за пределы предусмотренной Стандартной модели. Так появилась концепция так называемого стерильного нейтрино — частицы, не участвующей даже в слабых взаимодействиях, а проявляющая себя исключительно через осцилляцию с уже известными нам нейтрино. Собственно на его поиски и направлен эксперимент в Национальной исследовательской лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб) под названием MicroBooNE, и нам, наконец, удалось получить результаты первых трех лет его работы.

Стерильные нейтрино получили свое название из-за того, что в отличие от трех других типов, они будут взаимодействовать только через гравитацию, а не через другие фундаментальные силы. Но поскольку такое нейтрино может повлиять на способ осцилляции других, это и будет своеобразным кодом, по которому его узнают ученые. MicroBooNE — это 170-тонный детектор нейтрино, запущенный в 2015 году. Он будет искать эти коды по тому, как электронные и мюонные нейтрино взаимодействуют с молекулами 170 тонн чистого жидкого аргона. Рожденные в результате эксперимента электроны будут опознаны по излучаемому ими светом, а отличить вид нейтрино можно будет по энергетическим характеристикам.

Полученные изображения показывают подробные траектории частиц и, что особенно важно, позволяют отличить электроны от фотонов. Пока у нас есть анализ данных всего половины цикла работы — трех лет. Однако уже сейчас у них нет никаких следов стерильных нейтрино. Команда исследователей считает, что даже если и во второй половине данных не удастся найти нужную частицу, детектор поможет в исследованиях, например, темной материи или еще более экзотических частиц — Аксион.

Фото в анонсе: фотоумножителя внутри детектора. Reidar Hahn / Fermilab

Перевод материала nauka.ua