Коллаборация Daya Bay перевыполнила план по точности измерения смешивания антинейтрино

Физики из коллаборации Daya Bay сообщили о новых результатах по измерению одного из углов смешивания нейтрино. Как сообщает сайт Брукхейвенской национальной лаборатории, благодаря анализу пяти с половиной миллионов столкновений антинейтрино с веществом детекторов ученым удалось в два с половиной раза превысить проектную точность эксперимента. Это позволит точнее изучить вопрос асимметрии между веществом и антивеществом во Вселенной.

Обновлено: в апреле 2023 года статья с исследованием опубликована в журнале Physical Review Letters

Стандартная модель аккумулировала в себе кропотливо собранные в ходе многолетних исследований знания о связи друг с другом известных нам элементарных частиц. Начиная с некоторого этапа Стандартная модель стала играть роль предсказателя и позволила обнаружить множество новых частиц. Этим она заслужила большое доверие физиков.

Однако мало кто сегодня сомневается, что эта модель — не окончательная. О ее неполноте свидетельствуют возникающие с разных ее сторон экспериментальные аномалии, самой значимой из которых стали осцилляции нейтрино. Так называют процесс, при котором нейтрино по мере своего свободного распространения меняют свой аромат по периодическому закону от пройденного расстояния. Надежное экспериментальное свидетельство этого явления указывает на наличие у нейтрино масс, что не укладывается в Стандартную модель (подробнее об этом замечательном явлении мы рассказывали в материале «Н значит нейтрино»).

Впрочем, физики не растерялись и тут же придумали расширение Стандартной модели, которое описывает осцилляции. В его рамках вводится иной способ сортировки частиц, нежели по ароматам, а именно по массам. При этом, если смотреть на проблему квантовомеханически, аромат и масса становятся несовместными наблюдаемыми: частица, обладающая определенным ароматом, находится в суперпозиции состояний с определенными массами и наоборот. Ароматы проявляют себя, когда частица участвует (рождается или поглощается) в слабом взаимодействии, массы — в гравитационном, а также при свободном распространении.

Математически оба представления состояний нейтрино можно представить в виде двух трехмерных базисов (в предположении, что стерильных нейтрино не существует), связанных через три угла поворота (их еще называют углами смешения). Это простая геометрическая аналогия, однако, должна быть дополнена еще одним параметром, называемым СР-нарушающей фазой, который связан с возможным нарушением соответствующей симметрии. Он наиболее тесно связан с одним из углов смешивания θ₁₃, поэтому точное измерение последнего способно пролить свет на проблему асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.

Для решения этой задачи в 2011 году в рамках научного сотрудничества между Китаем и США в провинции Гуандун был запущен проект Daya Bay. Он представляет собой несколько одинаковых нейтринных детекторов, расположенных под землей на разном расстоянии от трех пар ядерных реакторов, в большом количестве рождающих антинейтрино. Уже в 2012 году с его помощью физики поняли, что θ₁₃ достоверно отличается от нуля, и с тех пор точность эксперимента только растет за счет увеличения выборки и усовершенствования методов анализа данных. В 2016 году мы писали о достижении экспериментом точности в определении угла смешивания, равной почти двум с половиной процентам, при целевой проектной точности в один процент.

Теперь же опираясь на результат девяти лет работы, за которые к декабрю 2020 года были собраны данные о пяти с половиной миллионах взаимодействий с антинейтрино, физики сообщили о том, что им удалось преодолеть эту отметку. В сообщении, размещенном на сайте Брукхейвенской национальной лаборатории, не приводится точное значение угла смешивание θ₁₃, эта цифра станет доступна после публикации соответствующей статьи в научном журнале. Однако по прошлым результатам можно сказать, что она чуть больше восьми градусов. Тем не менее, ученые пишут, что новая точность лежит вблизи значения 0,4 процента, что делает Daya Bay самым информативным экспериментом по определению этого параметра среди существующих и даже планируемых экспериментов.

Большое значение угла θ₁₃ по сравнению с погрешностью его измерения сделало также доступным измерение разницы в квадратах соответствующих масс, хотя изначально проект не ставил себе такой цели. Ученые сообщают, что новые данные позволили увеличить точность измерения этой величины с 2,8 до 2,3 процентов.

Результат, полученный с помощью Daya Bay, заиграет новыми красками, когда будет достроен другой детектор нейтрино — DUNE. Ожидается, что он тоже сможет измерять угол смешивания θ₁₃ с сопоставимой точностью. Это значит, что можно будет сравнить аналогичные результаты для нейтрино и антинейтрино и делать выводы о том, в какой степени для них нарушается симметрия между материей и антиматерией.

Но пока он еще строится, физики тестируют его прототип. Ранее мы уже рассказывали о такой установке, носящей название ProtoDUNE.

Марат Хамадеев