IceCube поделился первыми результатами поисков стерильного нейтрино

Международная коллаборация IceCube опубликовала первые результаты поиска четвертого типа нейтрино — стерильного. Ученые с 99-процентной вероятностью исключили существование частиц с параметрами, на которые косвенно указывали более ранние эксперименты, а также установили новые ограничения на возможные свойства объектов. Исследование направлено к публикации в журнале Physical Review Letters (препринт), кратко с результатами можно ознакомиться в пресс-релизе коллаборации.

На сегодняшний день достоверно известны три сорта нейтрино, отличающихся друг от друга ароматом — квантовой характеристикой, описывающей их поведение в слабом взаимодействии. Однако, нейтрино могут периодически изменять свой аромат — к примеру, частица, родившаяся мюонным нейтрино, может прибыть на детектор в виде электронного. Эти осцилляции изучают современными нейтринные эксперименты, такие как, например, NOvA. 

Периодичность и другие свойства осцилляций сильно зависят от того, какими бывают нейтрино, каковы их массы и от других параметров. В 1996 году эксперимент LSND (а вслед за ним и MiniBooNE в 2013 году) обнаружил аномалии в этом процессе: осцилляции происходили чаще, чем того можно было ожидать. Одним из объяснений этой аномалии стало предположение о существовании четвертого сорта нейтрино — стерильных. В отличие от трех известных сортов, итак уже практически не взаимодействующих с материей, новые частицы должны были быть еще инертнее. Из всех четырех фундаментальных взаимодействий они могли участвовать лишь в гравитационном.

Новая работа продолжает серию экспериментов по прямым поискам стерильных нейтрино. Согласно современной модели, существование стерильных нейтрино должно привести к исчезновению доли мюонных антинейтрино с большими (порядка нескольких тераэлектронвольт) энергиями. Несмотря на то, что IceCube не может отличить антинейтрино от нейтрино, проанализировав статистику по обнаруженным мюонным частицам все равно можно сделать вывод о том, что какая-то доля нейтрино пропала.

Авторы использовали две выборки событий — первая соответствовала году работы нейтринной обсерватории со всеми установленными детекторами, вторая — статистике, набранной с использованием лишь 59 гирдянд из 86. Ни один из наборов данных не обнаружил свидетельств существования стерильных нейтрино, с большой вероятностью отвергнув предложенные ранними экспериментами свойства частиц. 

Результат ученых не позволяет полностью отрицать существование четвертого аромата нейтрино, но накладывает ограничения на то, каким он может быть. Эти ограничения можно представить в виде области на двумерной карте, по одной из координат на которой отложена масса частицы, а по другой — так называемый угол смешивания стерильных нейтрино с известными. По словам физиков, хотя частица еще не «закрыта», новое исследование делает ее существование призрачным как никогда.

IceCube — нейтринная обсерватория, расположенная на станции Амундсена-Скотта (Южный полюс). Она представляет собой 86 гирлянд с детекторами, погруженных на глубину свыше полутора километров и окружающих объем льда примерно в один кубический километр. Фотодетекторы фиксируют черенковское излучение, которое возникает при столкновении высокоэнергетических нейтрино с электронами и протонами в молекуле воды.

Владимир Королев