Эксперимент STEREO не нашел стерильных нейтрино и закрыл реакторную аномалию

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.