Обнаружены признаки ‘стерильных’ частиц, которых не должно существовать
Детектор нейтрино обнаружил нечто невероятное — больше таинственных частиц, чем ожидали учёные. И лучшим объяснением такого необычного изобилия является существование гипотетического аромата нейтрино под названием “стерильный” нейтрино.
Это открытие, сделанное в рамках эксперимента MiniBooNE при Фермилабе, повторяет результаты более чем десятилетней давности. В 90-х в рамках эксперимента Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико, США) тоже обнаружили наличие “лишних” нейтрино — и самым популярным объяснением этой аномалии стало как раз существование стерильных нейтрино.
Но была проблема: на протяжении многих последующих лет не удалось ни разу повторить эту аномалию ни в одном эксперименте, связанном с нейтрино. Что такое стерильные нейтрино?
Нейтрино — это нейтральные фундаментальные частицы, которых в нашей Вселенной вагон и маленькая тележка. Это одни из самых распространенных частиц, хоть их и сложно засечь. Нейтрино схожи с электронами, но у них нет электрического заряда, а их масса слишком мала, чтобы заметно взаимодействовать с обычной материей.
Существуют три аромата, или типа, нейтрино: электрон, мюон и тау. Последние два ассоциируются с более тяжелыми электронами с теми же названиями.
Есть и гипотетический четвертый аромат — стерильный нейтрино. Такая частица не взаимодействует с материей согласно законам стандартной модели, разве что через гравитацию.
Если такие стерильные нейтрино существуют, нам придется навсегда отказаться от стандартной модели и пересмотреть физику частиц. Кстати, именно этот аромат нейтрино считают одним из кандидатов в составляющие тёмной материи. Но чтобы объяснить результаты экспериментов, придется принять, что стерильные нейтрино довольно легкие, то есть слишком малы, чтобы обеспечить всю массу тёмной материи.
Отсутствие взаимодействий означает, что стерильные нейтрино невозможно засечь напрямую в ходе таких экспериментов как LSND и MiniBooNE, в которых для того, чтобы засечь вспышки света — результат взаимодействий нейтрино, — используются фотоэлектронные умножители.
И всё же обилие нейтрино намекает на существование такой частицы, ведь теоретически они могут смешиваться с обычными нейтрино и изменять амплитуду осцилляции.
Первые результаты эксперимента MiniBooNE показали избыток электрон-нейтрино и антинейтрино. Физики, что закономерно, заинтересовались, но отнеслись скептично. Новые результаты намного более подробны и точны.
В рамках эксперимента планировали повторить ранний опыт, в ходе которого ещё тогда обнаружили, что нейтрино могут менять аромат. Исследователи выстрелили лучами мюон-нейтрино и антинейтрино в заполненный маслом резервуар MiniBooNE и искали те частицы, которые превратились в тип электрон. Для этого они засекали вспышки света — результат взаимодейтсвия между антинейтрино и электрон-нейтрино.
Общее количество вспышек — 2 437, что, примерно, на 460 вспышок больше, чем ожидалось. А значит, уже менее вероятно, что результат LSND был простой ошибкой в расчётах, как предположили многие физики.
Но остаются и другие эксперименты, в рамках которых не удалось повторить результат, в том числе и эксперимент того же MiniBooNE в 2007 году.
Самыми обрекающими стали результаты с детектора нейтрино IceCube на Южном полюсе в 2016 году. После анализа 100 000 нейтринных событий, за которыми наблюдали на протяжения десятилетия, физики объявили, что им не удалось подтвердить связь результатов в существованием стерильных нейтрино.
Странное поведение нейтрино засекли и в экспериментах, в которых пытались измерить электрон-антинейтрино, производимые в ядерных реакторах. В таких опытах взаимодействий оказывалось меньше, чем должно было по расчетам. Такой результат вполне можно объяснить существованием стерильных нейтрино. Но появляется несоответсвие: стерильные нейтрино должны вызывать дефицит мюон-нейтрино в других экспериментах, но этого не происходит. А это означает, что объяснение может быть намного более сложным, чем просто существование одного аромата стерильных нейтрино.
Это не означает, что их не существует. Но и не подтверждает их существование. Другие частицы вполне могли вызвать такие необычные результаты LSND и MiniBooNE.
На данный момент результаты эксперимента опубликованы на сервисе пре-принтов arXiv. Так что статья пока что не прошла рецензирование, и физики продолжают изучать новые данные. “Я не знаю, что делать [с этими результатами], — говорит Кейт Шольберг из Университета Дьюка, физик и специалист по нейтрино. Но теоретические физики, говорит она, “будут грызть этот [гранит науки] как ненормальные”.
Пока что не понятно, как результаты разных экспериментов соотносятся друг с другом. Мы видим, какие цифры были получены, но не знаем, что именно вызвало эти показатели, да и почему их так сложно повторить. В одном можно быть уверенным — мы ещё услышим о стерильных нейтрино.