MicroBooNE не увидел легких стерильных нейтрино

Физики из коллаборации MicroBooNE сообщили о результатах повторного анализа своих измерений в рамках полной модели нейтринных осцилляций, включающей превращения в стерильные нейтрино. Итог их работы оказался в согласии с трехнейтринной моделью в пределах одного стандартного отклонения. Данные MicroBooNE исключают существование легких стерильных нейтрино с массой порядка одного электронвольта. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Последнее десятилетие нейтрино привлекают большое внимание физиков, изучающих элементарные частицы. Благодаря открытию нейтринных осцилляций, то есть взаимопревращению трех типов нейтрино с различными ароматами, мы достоверно знаем о наличии у них массы. Подробнее об этом мы рассказывали, когда за это открытие вручили Нобелевскую премию. Этот факт, вообще говоря, противоречит Стандартной модели, однако принят в качестве консенсуса в физике.

Однако это явно еще не все. Множество экспериментальных свидетельств, накопленных к сегодняшнему дню, выбиваются даже из трехароматной модели осцилляций. Часть из них хорошо согласуется с существованием четвертого типа нейтрино, который проявляет себя исключительно через осцилляции со слабовзаимодействующими «собратьями» — за это такие нейтрино получили название стерильных. В 2021 году появилось сразу несколько достоверных свидетельств в пользу этой гипотезы, о чем мы рассказывали в материале «Чистая аномалия».

Одним из экспериментов, чьи показания трактовались в пользу стерильных частиц, стала работа детектора MiniBooNe, запущенного в Национальной исследовательской лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилабе). О своих результатах физики сообщили в 2018 году: они увидели аномальный сигнал и объяснили его избытком электронных нейтрино, в которые могли превратиться стерильные частицы. В эксперименте была лазейка, связанная с вкладом от нейтральных пионов, которая оставляла пространство для иной интерпретации.

Для более корректных выводов в той же лаборатории был запущен проект MicroBooNe. К концу 2021 года экспериментаторы опровергли влияние нейтральных пионов на сигнал, а к лету 2022 само существование избытка электронных нейтрино. Впрочем, теоретики сразу же нашли слабое место в выводах своих коллег, отмечая их зависимость от использованной модели и большие погрешности на отдельных этапах реконструкции.

Это побудило коллаборацию MicroBooNe протестировать свои экспериментальные данные в рамках полной 3+1-модели нейтринных осцилляций. Физики использовали один из собранных ранее датасетов, содержащий события, которые соответствуют взаимодействиям через заряженный ток, и применили к нему модели, хорошо описывающие аномалии LSND, BEST и Neutrino-4, то есть модели со стерильными нейтрино массой порядка одного электронвольта. Результат оказался отрицательным.

В основе осцилляций нейтрино лежит тот факт, что аромат и масса — это несовместные наблюдаемые. Первый оказывается определенным в момент слабого взаимодействия, в то время как второй — при свободном распространении нейтрино. Согласно квантовым законам, это означает, что вновь рожденное нейтрино того или иного аромата может быть описано в виде суперпозиции (в физике элементарных частиц говорят про смешивание) нескольких массовых состояний. Фазовый набег со временем каждого члена этой суммы описывается для свободной частицы соответствующей массой. Следовательно, разница масс в массовых состояниях будет определять скорость превращения нейтрино разных ароматов друг в друга при измерении.

Для количественного описания этого процесса физики используют матрицу Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (PMNS-матрицу). Это унитарная матрица, связывающая векторы нейтринных состояний в разных базисах, а ее члены описывают амплитуду вероятности получить ту или иную массу при измерении нейтрино с определенным ароматом. В трехнейтринной модели матрица имеет размерность 3×3, одно стерильное нейтрино расширяет ее до 4×4.

Впрочем, не все члены PMNS-матрицы одинаково полезны. Так, в своих экспериментах физики из MicroBooNe располагали свой детектор на пути пучка нейтрино, рождающихся в столкновениях протонов с бериллиево-литиевой мишенью. Такой источник производит поток преимущественно мюонных нейтрино с крайне низкой степенью загрязнения мюонными антинейтрино и электронными нейтрино (менее одного процента). Учитывая это, а также энергию нейтрино в потоке и расстояние до источника, физики пренебрегли всеми параметрами матрицы за исключением трех: разности квадратов масс первого и четвертого массового состояний, а также углов смешивания первого и второго состояний с четвертым.

В результате фита с тремя свободными параметрами физики увидели, что данные согласуются с нулевой (трехнейтринной) гипотезой в пределах одного стандартного отклонения. Такой результат сохранился в почти всем диапазоне углов смешивания и в диапазоне разности квадратов масс от 0,01 до 100 квадратных электронвольт. Единственным слабым местом анализа стала возможность того, что потенциальные аномальные избыток и дефицит электронных нейтрино могли происходить одновременно. В будущем физики собираются проверить этот сценарий с помощью другого источника нейтрино NuMI, также расположенного в Фермилабе, а также мультидетекторного анализа, заключающегося в одновременном измерении на разных расстояниях от источника.

В задачи MicroBooNe входит не только поиск стерильных нейтрино, но и отработка технологии аргоновых детекторов. В прошлом году физики из этой коллаборации смогли определить зависимости сечения рассеяния нейтрино на атоме аргона от его энергии.