Коллаборация MicroBooNE опровергла избыток электронных нейтрино у MiniBooNe

Коллаборация MicroBooNE подвела итоги нескольких лет работы по проверке гипотезы о том, что причиной аномального сигнала детектора MiniBooNe стал избыток электронных нейтрино. Три разные группы проанализировали данные, собранные за два с половиной года наблюдений, с помощью различных методов и не нашли подтверждения этой гипотезы. С исследованиями каждой из групп можно ознакомиться в трех статьях, одновременно опубликованных в Physical Review D (1, 2, 3), а про общие итоги можно почитать в Physical Review Letters. В том же самом номере Physical Review Letters появилась и альтернативная интерпретация совместного анализа данных с MiniBooNe и MicroBooNE от независимой группы теоретиков, которая оставляет пространство для объяснения аномалии с помощью стерильных нейтрино.

Нейтринная физика сегодня переживает бурное развитие. Новый виток интереса к нейтрино был вызван открытием нейтринных осцилляций, то есть превращений нейтрино одного аромата в другие сорта по мере их распространения (подробнее об этом читайте в материале «Н значит нейтрино»). Современная нейтринная модель содержит три типа нейтрино и антинейтрино: электронное, мюонное и таонное, а также описывает их взаимопревращения.

Нейтринные осцилляции изучает множество лабораторий и обсерваторий мира в самых различных энергетических диапазонах. Некоторые из экспериментов фиксируют аномалии, которые могли бы свидетельствовать в том числе и о том, что Стандартная модель упускает еще один или несколько типов нейтрино. Из-за того, что эти гипотетические частицы проявляют себя только с помощью осцилляций в обычные нейтрино, физики прозвали их стерильными. Про стерильные нейтрино и крупнейшие аномалии, указывающие на их существование, мы рассказывали в материале «Чистая аномалия».

К числу таких экспериментов относится и работа детектора MiniBooNe, расположенного в Национальной исследовательской лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилабе). Четыре года назад физики из этой коллаборации сообщили об избытке электронных нейтрино со значимостью шесть сигма по сравнению с текущей моделью нейтринных осцилляций. Результат, однако, мог быть объяснен несовершенством детектора, который мог принять сигнал от распада нейтральных пионов за нужный электронный сигнал.

Из-за этой неопределенности в Фермилабе был запущен другой проект, MicroBooNe, который за счет более совершенного детектора был призван дать ответ на вопрос, что же именно увидел детектор MiniBooNe. Новая коллаборация периодически выпускала пресс-релизы и публикации, посвященные, как промежуточным итогам проверки, так и обкатке различных технологий детектирования, которые будут полезны в будущих масштабных проектах вроде DUNE. Но на днях ученые подвели большие итоги работы, опубликовав сразу четыре публикации в журналах Американского физического общества.

Источником нейтрино в обоих экспериментах выступает главный инжектор Фермилаба. Частицы рождаются благодаря столкновениям быстрых протонов с бериллиево-литиевой мишенью, в результате чего образуется поток мюонных нейтрино высокой степени чистоты (около 93,7 процента). Детектор MiniBooNe расположен на расстоянии 468,5 метра от мишени, а детектор MicroBooNe — еще на 72,5 метра дальше на той же линии. Это ставит оба детектора в одинаковые условия.

Но главное отличие MicroBooNe от своего собрата стала возможность определения треков частиц, рождающихся в результате взаимодействия вещества детектора (в MicroBooNe использовался жидкий аргон) с нейтрино, с миллиметровым разрешением во всех трех измерениях. Совокупность всех родившихся частиц, соответствующих тому или иному исходу взаимодействия, называется конечным состоянием.

Обработкой результатов в коллаборации занимались три разные группы. Они использовали одни и те же данные, собранные с февраля 2016 года по июль 2018 и соответствующие 7×10²⁰ взаимодействиям протонов с мишенью, но концентрировались на разных конечных состояниях одного электрона, включая эксклюзивный поиск событий рассеяния двух тел с одним протоном, полуинклюзивный поиск беспионных событий и полностью инклюзивный поиск событий, содержащих все адронные конечные состояния. Также все три группы использовали различные методы реконструкции и работали в режиме слепого анализа, когда доступ к реальному сигналу выдавался только после окончания реконструкции. Результаты работы каждой из них опубликованы в трех отдельных статьях.

Полный же итог, который коллаборация подвела в журнале Physical Review Letters, подтвердил предварительное заключение: избытка электронных нейтрино детектор MicroBooNe не видит, а его данные полностью соответствуют трехнейтринной картине. Это исключает гипотезу о том, что причиной аномального сигнала, обнаруженного в MiniBooNE, стало искажение нейтринных осцилляций, в том числе за счет учета стерильных частиц.

С этой трактовкой оказалась не до конца согласна группа теоретиков из Великобритании, Канады, США и Швейцарии при участии Карлоса Аргуэльеса (Carlos Argüelles) из Гарвардского университета, чья статья была опубликована следом за статьей коллаборации MicroBooNe. Они обратили внимание, что интерпретация данных MiniBooNE через избыток электронных нейтрино основана на использовании определенной модели. Вместе с тем, большие погрешности этого эксперимента допускают и другие интерпретации. Аргуэльес с коллегами продемонстрировали это на примере простой модели, включающей одно стерильное нейтрино. Согласно их расчетам, эта модель согласуется с данными MiniBooNE, но не полностью исключается данными MicroBooNe. Это означает, что точку в вопросе стерильной интерпретации обоих экспериментов ставить пока рано.

Избыток в MiniBooNe — не единственная крупная аномалия, которая могла бы быть объяснена стерильными нейтрино. На эти гипотетические частицы указывает результат работы коллаборации BEST, про которую мы недавно рассказывали.

Марат Хамадеев