Достоверность существования стерильных нейтрино превысила пять стандартных отклонений

V.V. Barinov et al / arxiv.org, 2021

Коллаборация BEST доложила о результатах поиска осцилляций между электронными и стерильными нейтрино в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Для этого физики воспроизвели эксперимент, в котором ранее обнаружили галлиевые аномалии, с разделением мишени по расстоянию от источника. В результате их опыта статистическая значимость эффекта превысила 5σ. Статья с результатами направлена для публикации в журнал Physical Review Letters, доступен препринт.

Нейтрино занимают особое место в физике элементарных частиц. Их важной особенностью стала крайне низкая интенсивность взаимодействия с остальным веществом. По этой причине их очень сложно изучать. Несмотря на это физики выяснили, что нейтрино и антинейтрино бывают трех типов — электронные, мюонные и таонные, соответствуя трем поколениям лептонов.

Вместе с тем, эти частицы содержат в себе много загадок. Так, например, долгое время было непонятно, почему количество электронных нейтрино, приходящих на Землю от Солнца примерно в три раза меньше, чем предсказывала теория. Решение этой загадки потребовало введение нейтринных осцилляций — процесса превращения нейтрино разных типов друг в друга. Нейтринные осцилляции, однако, означают, что эти нейтрино обладают ненулевой массой, хотя в первоначальной версии Стандартной модели она нулевая.

В накопленном опыте по экспериментам с нейтрино существует еще ряд аномалий со статистическими значимостями в пределах 2–3 σ, которые, возможно, указывают на существование как минимум еще одного типа нейтрино — стерильного нейтрино. Статистическая значимость — это мера достоверности, с которой мы можем утверждать, что обнаружили какой-либо новый эффект. Она измеряется в стандартных отклонениях, обозначаемых σ, которые определяют погрешность эксперимента. В физике элементарных частиц статистически значимыми считаются результаты, которые отличаются от первоначальной гипотезы не менее, чем на 3σ. Однако, о четком экспериментальном подтверждении ученые говорят только при достижении достоверности, равной 5σ и более.

Одна из таких аномалий, названная галлиевой аномалией возникла при калибровке галлиевых детекторов солнечных нейтрино с помощью искусственных радиоактивных источников. Оказалось, что фиксируемое при этом число нейтрино меньше, чем предсказывает теория. Предполагается, что осцилляция между электронным и стерильным нейтрино могла бы объяснить такое поведение, однако недостаток точности, и, как следствие, низкая статистическая значимость, пока не дает оснований утверждать о полноценном открытии эффекта.

Чтобы уменьшить экспериментальные ошибки в 2019 году в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН был запущен проект BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Ранее в этом же комплексе, расположенном в недрах горы Андырчи на глубине до двух километров, в рамках проекта SAGE (Soviet—American Gallium Experiment) уже наблюдалась галлиевая аномалия. Целью SAGE было наблюдение за солнечными электронными нейтрино, которые пронизывали огромную массу (30-50 тонн) жидкого галлия. В результате редких ядерных реакций с их участием отдельные ядра 71Ga превращались в изотопы 71Ge с периодом полураспада около 11 дней. Для их извлечения физики перегоняли жидкий галлий в реакторы, которые извлекают изотоп германия химическими методами, превращая его в газ 71GeH4. Измеряя число распадов германия из газовой фазы, ученые делали выводы о числе пойманных нейтрино. Галлиевая аномалия же обнаружилась при калибровке этой установки с помощью изотопов 51Cr и 37Ar.

Для уменьшения ошибок, физики несколько изменили схему калибровки. В частности, они обратили внимание, что галлиевая аномалия опирается на сравнение экспериментальных данных с теорией, хотя точнее было бы сравнивать две измеряемые физические величины, по-разному «чувствующие» предполагаемые осцилляции. В частности, осцилляции приводят к тому, что количество потенциально детектируемых нейтрино оказывается зависящим от расстояния до источника.

Для реализации этой идеи ученые разделили толщу галлия на две части. Первая — внутренняя — заполняла собой камеру сферической формы с диаметром, равным 133,5 сантиметрам, изотропно окружающую радиоактивный источник. Вторая часть — внешняя — заливалась в пространство между внутренней камерой и стенками внешней камеры в виде цилиндра, диаметром 218 сантиметров и высотой 234,5 сантиметров. Такие размеры исключали влияние на сигнал превращения электронных нейтрино в другие известные их типы, поскольку эти процессы происходят на гораздо больших расстояниях. В качестве источника физики использовали 26 дисков из 51Cr, каждый диаметром 88 миллиметров и толщиной 4 миллиметра.

В результате двухмесячных измерений исследователи снова увидели галлиевую аномалию. Правда, отличие в параметре отклонения между различными частями жидкого галлия оказалось меньше погрешности. Однако усовершенствование аппаратной части и аккуратный учет всех погрешностей позволили существенно уменьшить неопределенность. Предполагая, что причиной аномалии стали осцилляции с участием стерильный нейтрино, физики проанализировали соответствующее двухпараметрическое распределение χ2 и выяснили, что статистическая значимость этого процесса превышает 5σ. Физики надеются, что дальнейшее увеличение точности может быть достигнуто за счет уменьшения объема, который занимает сам источник, однако пока не понятно, как скомпенсировать в этом случае его упавшую мощность.

От редактора

После публикации заметки мы изменили заголовок, а также внесли в текст краткое пояснение того, что такое статистическая значимость и какую роль она играет в подтверждении новых эффектов в физике элементарных частиц. При написании заметки также была допущена ошибка при оценке достоверности обнаруженного эффекта. Изначально говорилось о статистической значимости, равной 4σ, хотя на самом деле она превышает 5σ. Также изначально сообщалось о том, что статья принята к публикации в журнал Physical Review Letters, на самом деле процесс ее рецензирования еще не завершен. Приносим извинения читателям.

Нейтрино — не единственные частицы, превращающиеся по ходу движения в другие частицы. Недавно мы рассказывали, как физики обнаружили такие осцилляции у нейтрального очарованного мезона.

Марат Хамадеев

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.