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 в 2015 году Такааки Кадзите и Артуру Макдональду была вручена 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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Научное издательство Microbiology Society приостановило публикацию статей из России

Британское Микробиологическое общество (Microbiology Society), которое выпускает пять научных журналов, объявило, что останавливает работу со статьями, при подготовке которых использовалось российское бюджетное финансирование или с участием авторов, аффилированных с организациями, публично поддержавшими боевые действия на территории Украины. Эта пауза продлится до момента, когда украинские микробиологи смогут безопасно продолжить работу, говорится в заявлении совета общества.