Физики из нескольких коллабораций проверили работоспособность современных моделей нейтрино-ядерного взаимодействия с помощью экспериментов по рассеянию электронов на ядре. Такая проверка возможна благодаря тому, что у нейтрино и электрона много общих свойств. Ученые выяснили, что правильная реконструкция эксперимента с помощью модифицированных моделей происходит менее чем в половине случаев. Исследование опубликовано в Nature.
Осцилляции нейтрино — это феномен, который наиболее отчетливо и достоверно выходит за рамки Стандартной модели. В его основе лежит тот факт, что участие этих частиц в слабых взаимодействиях описывается с помощью одних квантовых наблюдаемых, а свободное распространение — с помощью других. В первом случае речь идет об аромате (или флейворе) — квантовом числе, характеризующем поколение лептонов, а во втором об их массе (при этом Стандартная модель подразумевает нулевую массу у всех типов нейтрино). Это означает, что свободные нейтрино можно описать с помощью суперпозиции состояний с различными ароматами, баланс между которыми осциллирует с пройденным ими расстояниями. Период этих осцилляций прямо пропорционален энергии нейтрино и обратно пропорционален разнице квадратов масс. Подробнее об этом замечательном эффекте вы можете прочитать в материале «Н значит нейтрино».
Процесс экспериментального обнаружения нейтрино всегда косвенный. Поскольку нейтрино участвуют только в слабых взаимодействиях, физики ловят их по продуктам соответствующих ядерных превращений в детекторах, причем счет идет на десятки, реже на сотни событий. Вместе с тем нейтрино, рождаемые во всех известных источниках, всегда имеют некоторое энергетическое распределение, которое приводит к распределению энергии у продуктов слабых реакций. Реконструкция первого на основе второго требует хороших реакционных моделей, точность которых пока оставляет желать лучшего.
Одна из причин этого в том, что физики не могут создавать монохроматические нейтринные пучки. Вместо этого, они тестируют теорию в непосредственной близости от источников нейтрино. К сожалению, неопределенности энергий, получаемые таким образом, становятся слишком большими, когда приходится исследовать осцилляции, поскольку степень перемешивания к ним чувствительна. Это заставляет ученых искать новые подходы к проверке моделей.
Физики из коллаборации CLAS объединились с коллегами из коллаборации e4ν для того, чтобы проверить работоспособность нейтринных моделей при взаимодействии электронных нейтрино с ядрами с помощью электрона. Оба лептона участвуют в слабом взаимодействии с помощью векторного тока похожим образом, хотя нейтрино несет еще дополнительный аксиальный ток. Таким образом, любые модели нейтринных взаимодействий должны быть легко проверяемы данными с электронных экспериментов.
Эксперименты с электронными пучками сильно превосходят нейтринные эксперименты по гибкости и количеству параметров, которые поддаются контролю. Авторы использовали этот факт, чтобы воспроизвести на электронном коллайдере, расположенном в Лаборатории Томаса Джефферсона, условия, которые наблюдаются в известных нейтринных экспериментах. На роль мишеней взяли ядра гелия, углерода и железа, а электроны разгоняли до энергий 1,159, 2,257 и 4,453 гигаэлектронвольт. Данные, полученные на углеродных мишенях, релевантны результатам нейтринных экспериментов с сцинтилляторными детекторами, таких, как MINERνA и NOνA, и с водно-черенковскими детекторами, например, Super-Kamiokande и Hyper-Kamiokande. Точно так же электронные эксперименты на железе можно сравнивать с аргоновыми детекторами MicroBooNE и DUNE.
Физики отбирали события с одним электроном, одним протоном и одним нейтральным пионом. В этом процессе доминирует квазиупругое рассеяние лептона (то есть рассеяние на только одном нуклоне ядра), которое изучено наиболее хорошо, поэтому точно так же поступают при анализе нейтринных экспериментов. Авторы отсеивали события, соответствующие тормозному излучению электронов, а также похожие на искомые ложные события, в которых некоторые частицы не попали в детектор. Они нормализовали итог на интегральный заряд пучка и толщину мишени, а также вводили поправки, вызванные заменой нейтрино на электрон.
Эти данные физики сравнивали с результатом симуляции зависимости дифференциального сечения от энергии, проведенной с помощью двух моделей нейтринных взаимодействий G2018 и SuSAv2, модифицированных для электронов. Они применяли обе модели для случаев водно-черенковских и калориметрических детекторов. Для первого случая, когда сигнал фиксируется только от заряженных частиц, SuSAv2 воспроизвела правильную ширину пика, но переоценила сечение всего сигнала на 25 процентов, а G2018 превысила и сузила только пик. Во втором случае SuSAv2 точнее описывала пик, в то время как G2018 ошиблась с его положением. При этом обе модели переоценивали низкоэнергетический хвост распределения. Физики посчитали, что суммарно правильная реконструкция эксперимента происходила менее, чем в половине случаев.
Авторы отмечают, что полученные ими результаты сигнализируют о возможных систематических ошибках, которые будут возникать в экспериментах с нейтрино следующего поколения, вызванных несовершенством имеющихся моделей. В свою очередь физики собираются улучшить характеристики своего спектрометра, чтобы расширить детектируемый диапазон углов и переданных импульсов, а также тип мишеней.
Более точные модели могут вскрыть невидимые ранее систематические погрешности. Возможно, именно эти погрешности ответственны за множественные аномалии в нейтринных экспериментах, для объяснения которых был введен новый тип нейтрино. Подробнее об этом читайте в материале «Чистая аномалия».
Марат Хамадеев