Эксперимент STEREO не нашел стерильных нейтрино и закрыл реакторную аномалию
В этом физикам помог многосекционный детектор на короткой базе вблизи ядерного реактора
Физики из коллаборации STEREO сообщили о результатах поиска стерильных нейтрино в реакторном эксперименте с многосекционным детектором. Ученые не только опровергли существование таких частиц с массой порядка одного электронвольта, но и объяснили причину реакторной антинейтринной аномалии, которую таким способом пытались ранее объяснять. Оказалось, что во всем виновата недооценка вклада низкоэнергетических бета-переходов в ядрах. Исследование опубликовано в Nature.
Реакторные антинейтрино стали первыми обнаруженными нейтральными лептонами, которые предсказал Паули в качестве решения проблемы с несоблюдением законов сохранения энергии в бета-распаде. Они образуются как продукт бета-распада осколков расщепления тяжелых ядер. Благодаря развитию ядерной физики ядерные реакторы зарекомендовали себя как интенсивные источники потоков антинейтрино с известным ароматом, что позволило точнее изучать их свойства.
Они сыграли важную роль в исследовании нейтринных осцилляций — периодического изменения аромата частицы по мере ее свободного распространения, поскольку работа с реакторами допускает измерение потока на различном расстоянии от источника. Ключом к этому стала процедура конвертации полного спектра бета-распада различных тяжелых ядер в спектр антинейтрино.
Ревизия этой процедуры, проведенная в 2011 году, привела к обнаружению реакторной антинейтринной аномалии — отклонению измеренной интенсивности потока антинейтрино от предсказаний модели нейтринных осцилляций. Ее проще всего объяснить тем, что по пути к детектору антинейтрино исчезают из-за их осцилляций в новый, четвертый тип нейтрино с массой порядка одного электронвольта. Такие нейтрино не участвуют в слабом взаимодействии, за что получили название стерильных.
Реакторная аномалия была обнаружена в нескольких независимых экспериментах. Более того, гипотеза стерильных нейтрино согласуется с аномалиями, обнаруженных в других опытах, не использующих ядерный распад, но противоречит ускорительным и астрофизическим наблюдением. Подробнее об этом читайте в материале «Чистая аномалия». Такая ситуация подстегивает интерес к нейтринной физике и служит мотивацией для запуска большого числа программ по поиску стерильных нейтрино.
Одним из таких проектов стала эксперимент STEREO, начатый в 2016 году в Институте Лауэ — Ланжевена в Гренобле. Он представляет собой шестисекционный детектор с жидким сцинтиллятором, содержащим гадолиний, который установлен на короткой базе (9-11 метров) от ядерного реактора. В реакторе средней мощностью 52,76 мегаватт происходит деление высокообогащенного урана-235. Антинейтрино, рождающиеся в процессе ядерной реакции, попадают в ячейки детектора и участвуют в нем в обратном бета-распаде, превращая протоны в позитроны и нейтроны. Позитрон аннигилирует практически сразу с образованием гамма-квантов, нейтрон же захватывается гадолинием с некоторой (17 микросекунд в среднем) задержкой, что приводит к девозбуждению ядра, сопровождаемого гамма-каскадом суммарной энергией восемь мегаэлектронвольт.
Особенностью работы детектора STEREO стала его высокая защита от шумов, которые способны загрязнить сигнал. Слой мю-металла толщиной 1,5 миллиметра экранирует детектор от внешних магнитных полей, а экран из полиэтилена и свинца изолирует его от потоков нейтронов и гамма-излучения. Однако наибольшие усилия физики приложили для активной борьбы с космическим фоновым излучением, а также излучением других источников, расположенных в Институте.
Она реализована с помощью водного черенковского детектора, фиксирующего мюоны. Одновременное срабатывание основного и дополнительного детекторов позволяет отвергнуть сигналы быстрых нейтронов, возникающие при взаимодействии космических лучей с веществом детектора. Для калибровки этой системы ученые использовали чередование 50-дневных циклов работы реактора, прерываемые обслуживанием и загрузкой свежего топлива.
В результате измерительной кампании, длившейся с октября 2017 по ноябрь 2020 года, детектор STEREO увидел в общей сложности 107 558 антинейтрино. Наличие шести разных ячеек в детекторе позволило проверить гипотезу об осцилляции в стерильные нейтрино без использования процедуры конвертации бета-спектра. Результаты такого анализа оказались в согласии с нулевой (бесстерильной) гипотезой с p-значением 0,52 для разницы квадратов масс в окрестности одного квадратного электронвольта. Физики также увидели, что наилучшие значения параметров стерильной осцилляции, обнаруженные экспериментами Neutrino-4 и NEOS-RENO, отклоняются от их данных на 3,3 и 2,8 стандартного отклонения, соответственно. Таким образом, эксперимент STEREO достоверно отклоняет гипотезу существования стерильных нейтрино.
Авторов также интересовал вопрос возникновения реакторной аномалии. Для этого они сопоставили спектр антинейтрино, измеренный в эксперименте, с таковым, вычисляемым с помощью конвертации для деления урана-235. Оказалось, что общепринятая модель переоценивает количество антинейтрино на 5,5±2,1 процента. Вместе с тем несколько новых моделей (1, 2) справляются с этой задачей гораздо лучше. Физики сделали вывод, что текущая модель недооценивает вклад низкоэнергетических бета-переходов в ядрах.
Мультидетекторный подход — крайне плодотворный способ изучать осцилляции нейтрино. Благодаря ему китайский эксперимент Daya Bay смог перевыполнить план по точности измерения параметров смешивания нейтрино. Его также намерены использовать физики из коллаборации MicroBooNe, которые на днях также не увидели стерильных нейтрино легкой массы.
Новые результаты оказались в согласии со Стандартной моделью в пределах одной сигмы
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.
