Детектор MiniBooNE нашел новые доказательства в пользу стерильного нейтрино

Фотография фотоумножителей детектора MiniBooNE

Ryan Patterson / Princeton / Fermilab

Группа MiniBooNE заново рассчитала «избыток» электронных нейтрино и антинейтрино, включив в анализ данные, собранные в 2013–2017 годах. В результате статистическая значимость эффекта выросла до 6 сигма, то есть его нельзя списать на случайность. Этот результат указывает на существование стерильных нейтрино, которые могли увеличить частоту осцилляций. Статья опубликована в Physical Review Letters и находится в свободном доступе, кратко о ней сообщает Physics.

В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми и разделяются на три поколения с фиксированным лептонным числом (электронное, мюонное и тау-нейтрино), однако на самом деле они устроены гораздо сложнее. В слабых взаимодействиях — например, в бета-распаде радиоактивных ядер — нейтрино действительно участвуют в качестве флейворных состояний (состояний с фиксированным лептонным числом). Однако в свободном пространстве их правильнее представлять в виде квантовой суперпозиции («смеси») трех компонент с фиксированной массой — так называемых массовых состояний. Когда частица движется в пространстве и времени, волновые функции каждой компоненты осциллируют, причем частота осцилляций обратно пропорциональна массе компоненты (волновая функция свободной частицы Ψ(t,x) = Akexp[ikr — iEt/ħ], где энергия E = ħ2k2/2m). Поэтому вероятность обнаружить нейтрино в определенном флейворном состоянии в разных точках пространства-времени разная. Получается, что нейтрино, которое изначально было электронным, спустя некоторое время превратится в мюонное или тау-нейтрино, причем вероятность превращения пропорциональна квадрату разницы масс массовых состояний. Это так называемые осцилляции нейтрино; в 2015 году Такааки Кадзита и Артур МакДональд, открывшие этот процесс и решившие проблему «недостатка» солнечных нейтрино, получили Нобелевскую премию по физике. Более подробно про нейтринные осцилляции можно прочитать в материале «Н значит нейтрино» или послушать в рассказе физика Михаила Данилова.

Осцилляции нейтрино позволяют объяснить бо́льшую часть измерений, связанных с физикой этих частиц, однако в некоторых случаях эксперимент отклоняется от теории. В 1995 году детектор LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) обнаружил, что мюонные нейтрино превращаются в электронные немного быстрее, чем следовало из расчетов с известными массами массовых состояний. Десять лет спустя похожее расхождение было зафиксировано на детекторе MiniBooNE, который не имел ничего общего с LSND. Самый простой способ объяснить это расхождение — добавить в теорию стерильные нейтрино, которые не участвуют во взаимодействиях Стандартной модели. В этом случае к существующим трем массовым состояниям добавится еще одно и частота осцилляций изменится. Тем не менее, за последние десять лет физики-теоретики разработали еще несколько альтернативных способов. Более того, некоторые эксперименты по поиску стерильного нейтрино получили отрицательный результат — например, детектор IceCube исключил возможность их существования с вероятностью около 99 процентов. Впрочем, достоверность этого утверждения составляла менее трех сигма, а в физике принято дожидаться отклонений более пяти сигма, прежде чем уверенно заявлять об открытии. Поэтому вопрос существования стерильных нейтрино пока остается открытым.

Группа MiniBooNE перепроверила и уточнила свои результаты, нарастив статистику по осцилляциям нейтрино более чем в десять раз. В настоящее время детектор MiniBooNE представляет собой огромную сферу диаметров около 12 метров, которая заполнена 820 тоннами очищенного минерального масла (CH2) и просматривается 1500 фотоумножительными трубками. Когда нейтрино сталкивается с молекулами масла, оно «выбивает» из них заряженные частицы, которые, в свою очередь, производят направленное черенковское излучение и изотропный свет от сцинтиллятора. Фотоумножители регистрируют оба типа вспышек, а электроника восстанавливает по ним энергию, лептонный заряд и другие параметры нейтрино. Источником частиц для детектора служит главный инжектор Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаба), в котором высокоэнергетические протоны (энергия порядка восьми гигаэлектронвольт) сталкиваются с бериллиево-литиевой мишенью. Заряженные пионы, которые рождаются при таких столкновениях, фокусируются магнитным полем и быстро распадаются на мюонные нейтрино или антинейтрино. За пятнадцать лет наблюдений, длившихся с 2002 по 2017 год, протоны столкнулись с мишенью около 2,7×1021 раз. Большую часть этих данных ученые собрали за последние четыре года, поэтому с момента предыдущей публикации число зарегистрированных нейтрино выросло почти в два раза.

Используя те же методы, что и в предыдущих публикациях, ученые получили, что «избыток» электронных нейтрино в диапазоне энергий 200–1250 мегаэлектронвольт составил 381±85 событий. Если добавить к этому числу «избыток» электронных антинейтрино, отклонение от предсказаний модели с тремя нейтрино составит уже 461±99 событий. Статистическая значимость этого результата примерно равна 4,7 сигма. Более того, он согласуется с измерениями детектора LSND, и если скомбинировать оба результата, значимость отклонений вырастет уже до 6,0 сигма (вероятность ошибки около 10−9). Это значит, что эффект нельзя списать на случайность, как это можно было сделать для первых экспериментов со значимостью порядка 1,0 сигма.


Тем не менее, авторы статьи все-таки не спешат заявлять о стопроцентном подтверждении теории стерильного нейтрино. Наблюдаемый избыток событий все еще можно списать на другие, более экзотические теории. Например, одна из гипотез утверждает, что «лишние» вспышки в детекторе могут производить нейтральные пионы, которые тоже рождаются при рассеянии нейтрино и распадаются на фотоны. Эти вспышки очень похожи на вспышки от заряженных частиц, и их можно перепутать. Впрочем, группа MiniBooNE учла эту возможность, оценила вклад от нейтральных пионов и показала, что он не может объяснить такое сильное отклонение. Тем не менее, уверенно об этом можно будет говорить только тогда, когда вклад нейтральных пионов будет независимо изучен на других детекторах, например, DUNE.

В апреле этого года группа MiniBooNE впервые измерила параметры нейтрино с точно заданной энергией, равной 236 мегаэлектронвольт. Моноэнергетические нейтрино, которые участвовали в подобных измерениях, испускались в результате распада покоящихся каонов. В предыдущих экспериментах энергия нейтрино никогда не была известна заранее; на этот раз исследователи смогли зафиксировать эту энергию благодаря удачной геометрии экспериментальной установки.

Дмитрий Трунин

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.