Коллаборация Daya Bay — международная группа ученых, изучающих превращения частиц, называемых нейтрино, публикует свой первый результат по поиску так называемых стерильных нейтрино — возможного нового типа нейтрино за пределами известных трех нейтринных «ароматов». Существование неуловимых частиц, если его доказать, глубоко повлияет на наше понимание Вселенной, а также на планирование будущих нейтринных экспериментов.
Эксперимент расположен вблизи атомных электростанций Daya Bay и Ling Ao в Китае, в 55 километрах к северо-востоку от Гонконга. Эти реакторы создают стабильный поток антинейтрино, который ученые коллаборации Daya Bay используют для исследований при помощи детекторов, расположенных в трех экспериментальных залах на различных расстояниях (от 360 м до 1,8 км) от реакторов. В коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран.
Эксперимент Daya Bay начал работу 24 декабря 2011 года. Вскоре после этого коллаборация опубликовала свой первый результат: наблюдение нового типа осцилляций — доказательства того, что частицы смешиваются и меняют свой тип, — и высокоточное измерение нейтринного «угла смешивания», что является окончательным подтверждением существования смешивания по крайней мере трех массовых состояний нейтрино.
Факт, что нейтрино вообще имеют массу — относительно новое открытие, как и наблюдение Daya Bay, что электронное нейтрино — это смесь по крайней мере трех массовых состояний. И пока ученые не знают точных значений масс нейтрино, они знают, что эти частицы куда менее массивны, чем хорошо известный электрон, член того же семейства частиц.
Эти неожиданные наблюдения привели к возможности того, что электрически нейтральные, практически необнаружимые нейтрино могут быть особым видом материи и очень важной частью массы Вселенной. C учетом того, что природа материи вообще и существование массы в частности — один из фундаментальных вопросов в науке, новые откровения о природе нейтрино ясно дают понять важность поиска других легких нейтральных частиц, которые могут быть партнерами активных нейтрино и могут давать вклад в темную материю.
Первый поиск стерильных нейтрино в эксперименте был проведен на основе энергетического спектра детектированных реакторных электронных антинейтрино. В пределах исследуемого диапазона масс признаков существования четвертого массового состояния нейтрино обнаружено не было.
Поиск стерильных нейтрино проводился тремя независимыми группами, одна из которых — группа физиков из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (состав «стерильной» группы — И.В. Буторов, М.О. Гончар, Д.В. Наумов), разработавшая собственное программное обеспечение и методы анализа данных эксперимента Daya Bay и активно участвовавшая как в анализе данных, так и в написании статьи от коллаборации. Интенсивная и дружная работа велась больше года. В итоге, результаты всех трех групп оказались в хорошем согласии друг с другом.
Результат эксперимента Daya Bay — лучший мировой предел на параметры стерильных нейтрино в широком диапазоне масс, — таким образом, находится в согласии с существующей картиной трех-нейтринных осцилляций. Проверка существования стерильных нейтрино и определение их параметров является одной из важнейших задач физики нейтрино, на решение которой сегодня нацелено большое количество экспериментов. Новый результат эксперимента Daya Bay позволяет значительно сократить неисследованную область.