Тяжелые стерильные нейтрино предложили искать с помощью оптической левитации

Американские физики предложили концепцию детектора стерильных нейтрино на основе наночастицы, левитирующей в оптическом пинцете. В основе этого метода лежит тот факт, что нейтрино, рожденные в ходе радиоактивного распада, уносят с собой импульс. Отдача передается всей наночастице и может быть измерена благодаря высокой степени контроля механического состояния левитирующих объектов. Численный эксперимент, проведенный учеными, показал, что всего одна наночастица способна за месяц измерений добиться достоверности, сопоставимой с таковой в современных экспериментах по поиску тяжелых стерильных нейтрино. Исследование опубликовано в PRX Quantum.

Свет, сфокусированный в точку, способен удерживать не слишком тяжелые объекты: атомы, молекулы или наночастицы. Это явление лежит в сердце таких инструментов как оптический пинцет или оптическая левитация. Подробнее о природе оптических сил читайте в материалах «Скальпель и пинцет» и «Левитация для маглов».

Оптический пинцет стал необходимостью в передовой атомной физике и ультрахолодной химии. Подвешивание наночастиц также нашло широкое применение. Если их охладить достаточно сильно, они переходят в квантовый режим, несмотря на свой большой размер. В частности, физикам удается различать квантование их колебаний в оптическом потенциале. Такие системы становятся хорошими сенсорами, а также элементами для моделирования многих тел.

Левитирующие частицы нашли применение и в более фундаментальной физике. С их помощью ищут темную материю, ловят гравитационные волны и исследуют запутанность, созданную гравитацией. Теперь же американские физики под руководством Дэвида Мура (David Moore) из Йельского университета предложили использовать подвешенные наночастицы, чтобы искать тяжелые нейтрино в диапазоне масс от кило- до мегаэлектронвольт, включая их стерильные реализации.

Обычно нейтрино ищут с помощью массивных и дорогих детекторов, содержащих очень много вещества и спрятанных под землю или под воду. Это необходимо, поскольку нейтрино, испущенные реактором или прилетевшие из космоса, крайне слабо взаимодействуют с веществом. Идея физиков, напротив, основана на обнаружении нейтрино в момент их рождения вследствие радиоактивного бета-распада изотопов в частице.

Нейтрино — не единственный продукт бета-распада. Чтобы восстановить его энергию и импульс нужно ловить и измерять все остальное: ядро, смещенное отдачей, и электрон или позитрон, что бывает порой очень трудно. По задумке Мура и его коллег детектор, состоящий из левитирующей наночастицы, отчасти лишен этих недостатков. Если радиоактивный изотоп спрятан в ее толще, большая часть продуктов не сможет покинуть частицу, что облегчает поиск сигналов. В идеале импульс нейтрино будет в точности равен импульсу отдачи наночастицы, взятый с обратным знаком. Этот импульс возможно зафиксировать, учитывая высокую степень механического контроля наночастиц, подвешенных в лазерных ловушках.

Чтобы понять возможности метода, физики провели симуляцию для кварцевой наночастицы диаметром 100 нанометров, внутри которой находились радиоактивные изотопы аргона-37. Эти ядра превращаются в ядра хлора-37 с испусканием оже-электронов и рентгеновских квантов. Для их детектирования авторы предлагают использовать дополнительные детекторы вокруг наночастицы, которые позволят работать в режиме совпадений.

В моделировании ученые допускали возможность превращения электронного нейтрино в стерильное нейтрино с массой 750 килоэлектронвольт и вероятностью смешивания 2×10⁻⁴. Последнее значение было выбрано ниже верхнего предела, определенного в последних экспериментах. Симуляция показала, что сто тысяч распадов изотопа во всего одной частице позволит за месяц набрать данных, сопоставимых по статистической значимости с современными нейтринными экспериментами.

Авторы уверены, что работа не с одиночными частицами, а с массивами позволит расширить чувствительность детекторов на основе оптической левитации в диапазоне масс нейтрино от кило- до мегаэлектронвольт. Кроме того, они надеются, что переход к неклассическим режимам движения наночастиц позволит проверить гипотезу о существовании легких стерильных нейтрино.

Поиск стерильных нейтрино — это раздел экспериментальной физики, чья история пишется буквально в наши дни. В позапрошлом году появились серьезные свидетельства в пользу этой гипотезы для небольших масс, которые мы разбирали в материале «Чистая аномалия». Но в прошлом месяце об отрицательных результатах отчитались сразу два эксперимента: MicroBooNE и STEREO.