Физики наложили ограничения на разницу между нейтрино и антинейтрино

Международный эксперимент NOvA опубликовал первые научные статьи по осцилляциям мюонных реакторных нейтрино в электронные. Ученые подтвердили факт превращения частиц одного типа в другой и установили ограничения на их свойства. В частности, физики указали, что наиболее вероятна нормальная иерархия масс нейтрино, а также указали возможный диапазон значений параметра, описывающего различия между нейтрино и антинейтрино. Исследование, посвященное исчезновению мюонных нейтрино опубликовано в Physical Review D – Rapid Communications (препринт), статья о возникновении электронных нейтрино в детекторе опубликована в Physical Review Letters (препринт), кратко с содержанием работ можно ознакомиться в материале Physics.

Нейтрино — одни из самых распространенных частиц во Вселенной. Несмотря на это, их очень сложно зарегистрировать — они очень редко взаимодействуют с веществом и могут пролететь многие сотни световых лет, что делает их хорошими кандидатами для исследования астрономических объектов. Ученые выделяют три типа нейтрино на основе их аромата — электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Но пока эти частицы путешествуют, с ними происходят изменения, называемые осцилляциями. Они приводят к тому, что нейтрино, родившееся как тау-частица, может прилететь на детектор уже будучи электронным и наоборот. Важно отметить, что у этих переходов есть строгая периодичность. Именно это свойство частиц позволило доказать, что считавшиеся безмассовыми частицами на самом деле обладают массой, хотя и небольшой. За это открытие Нобелевская премия по физике.

Эксперимент NOvA изучает, как мюонные нейтрино превращаются в электронные. Источником первых является Национальная Ускорительная Лаборатория Ферми — в ней установлен «ближний» нейтринный детектор. Ускорительный комплекс порождает пучок, состоящий только из мюонных нейтрино, и если бы осцилляций не происходило, то «дальний» детектор, расположенный в 810 километрах от Фермилаб, фиксировал бы не больше одного электронного нейтрино в год из-за фона. Однако, в двух независимых анализах статистики первых 15 месяцев ученым удалось обнаружить соответственно шесть и одиннадцать электронных нейтрино. Для получения второго результата авторы использовали технику машинного обучения. 

Осцилляции, согласно современным моделям, определяются набором параметров. Во-первых, периодичность осцилляций напрямую связана с разностью квадратов масс так называемых массовых состояний нейтрино. Каждое чистое массовое состояние — суперпозиция электронного, мюонного и тау-нейтрино с определенными вкладами каждого. Например, массовое состояние 1 соответствует наибольшей доле электронного нейтрино, а массовое состояние 3 — мюонному и тау-нейтрино. 

Во-вторых, осцилляции определяются взаимосвязью между массовыми и лептонными состояниями. Ее описывает специальный объект, называемый матрицей Понтекорво—Маки—Накагавы—Сакаты (PMNS). По сути, это таблица из чисел, которая позволяет перевести массовое состояние в лептонное и обратно. Она полностью определяется четырьмя параметрами: тремя углами смешивания и четвертой величиной, тоже с размерностью угла, показывающей насколько отличаются между собой нейтрино и антинейтрино. Углы смешивания геометрически представляют собой углы между соответствующими осями координат в двух системах, массовой и лептонной, описывающих состояние нейтрино.

До сих пор физикам неизвестны две величины — насколько отличаются между собой нейтрино и антинейтрино и каковы знаки абсолютных значений разностей масс. Иными словами, ученые до сих пор достоверно не знают, какое массовое состояние самое легкое — массовое состояние 1 или массовое состояние 3 (массовое состояние 2 почти совпадает с массовым состоянием 1). В первом случае говорят о нормальной иерархии масс, во втором — об инверсной.

Новые данные указывают на то, что скорее всего в природе наблюдается нормальная иерархия масс. Предположив, что «дальний» детектор увидел 11 электронных нейтрино (как указывает машинный анализ), ученые указали, что фаза нарушения CP-симметрии, показывающая разницу между нейтрино и антинейтрино, с уровнем достоверности 90 процентов не лежит между значениями 45 и 170 градусов. Если же иерархия масс все-таки инверсна, то данные детекторов с тем же уровнем достоверности отличаются от предсказанных любыми значениями фазы. Кроме того, исследователи установили новые ограничения на угол смешивания θ₂₃.

О данных по иерархии масс нейтрино NOvA сообщала ранее, на научном семинаре в августе 2015 года. Обновленные данные ученые направили к публикации 19 января, одновременно с этим опубликовав препринты статей. 

NOvA представляет собой пару детекторов, каждый из которых состоит из пластиковых блоков, заполненных жидким сцинтиллятором — веществом, светящимся под действием ионизирующего излучения. Детекторы фиксируют не сами нейтрино, а продукты их столкновений с веществом. Это первый эксперимент, разработанный специально для изучения осцилляций мюонного нейтрино к электронному. Ожидается, что сбор данных продолжится в сумме около шести лет.

Владимир Королёв