Коллабониирация "Нейтрино-4", возглавляемая НИЦ "Курчатовский институт" — ПИЯФ, представила очередные доказательства в пользу существования нового, четвертого типа нейтрино — стерильного. Это весьма важный результат: такую гипотетическую частицу уже много лет предлагают для решения одной из главных проблем современный физики — природы темной материи. Эксперимент проводился на исследовательском реакторе СМ-3. Исследование опубликовано в журнале JETP Letters.
Нейтрино и антинейтрино рождаются в результате ядерных и термоядерных реакций, протекающих в дальнем космосе. Эти "неуловимые" элементарные частицы крайне слабо взаимодействуют с веществом, беспрепятственно проникая сквозь звезды и планеты нашей Вселенной. Так, через каждый квадратный сантиметр земной поверхности ежесекундно пролетают около 1011 нейтрино, образовавшихся на Солнце.
В Стандартной модели нейтрино считаются безмассовыми и подразделяются на три поколения: электронные, мюонные и тау-нейтрино. У каждого из них есть свой "близнец" — антинейтрино. Такие античастицы производят атомные реакторы. Поток антинейтрино от атомного реактора достигает 1013 частиц в секунду.
Нейтрино разных поколений могут самопроизвольно превращаться друг в друга. Ученые называют это "нейтринными осцилляциями", за их открытие Артуру Макдональду и Такааки Кадзита присудили Нобелевскую премию по физике 2015 года. Дело в том, что превращения трех типов нейтрино друг в друга могут возникать только в том случае, если массы частиц не равны нулю. Таким образом, нобелевским лауреатам удалось доказать наличие у нейтрино массы — открытие, не вписывающиеся в рамки Стандартной модели.
Согласно одной из гипотез, кроме трех перечисленных поколений нейтрино существует еще и четвертое — стерильные нейтрино. Эти частицы не участвуют даже в слабом взаимодействии, отчего зарегистрировать их крайне сложно. По мнению большинства ученых, именно они составляют загадочную темную материю.
"Мы видим лишь 4% нашей Вселенной, 74% приходятся на тёмную энергию, 22% — на тёмную материю. О существовании тёмной материи учёные знают лишь благодаря наблюдению за гравитационными эффектами, которые эти "призрачные" субстанции оказывают на видимые астрономические объекты, например, траекторию движения галактик", —
сообщил главный автор исследования, заведующий отделом нейтронной физики НИЦ "Курчатовский институт" — ПИЯФ, член-корреспондент РАН Анатолий Серебров.
Результаты исследования коллаборации "Нейтрино-4", возглавляемой НИЦ "Курчатовский институт" — ПИЯФ, указали на еще одно противоречие со Стандартной моделью. Это может означать, что ученым удалось обнаружить четвертое поколение нейтрино. Эксперимент проводился на исследовательском реакторе СМ-3 НИИАР, оснащенным полномасштабным нейтринным детектором, который был разработан сотрудниками НИЦ "Курчатовский институт" — ПИЯФ. Среди других участников коллаборации — Курчатовский институт, Димитровградский филиал МИФИ и АО "ГНЦ НИИАР".
"Возникает естественный вопрос: как можно обнаружить стерильные нейтрино, если они не взаимодействуют с нашим веществом? Тем не менее, это возможно по факту исчезновения потока антинейтрино в процессе осцилляций — переходе "обычных" нейтрино в стерильные и обратно", — пояснил Анатолий Серебров.
По его словам, детектор должен быть передвижным и чувствительным к энергии антинейтрино, генерируемых реактором. Поскольку установка расположена на поверхности Земли, фон космического изучения оказался главной помехой в проведении эксперимента.
Поиск стерильных нейтрино с включенным реактором проводился в течение 480 дней, а с выключенным — в течение 278 дней для измерения фона. За два года работы детектора ученым удалось накопить статистические данные по осцилляциям нейтрино.
"Статистическая значимость полученного результата равна примерно 3 сигма (сигмой в статанализе обозначают стандартное отклонение). В физике принято дожидаться отклонений более 5 сигма, прежде чем уверенно заявлять об открытии. И хотя вопрос существования стерильных нейтрино пока остается открытым, наблюдаемые в эксперименте отклонения уже труднее назвать случайными, как это можно было сделать для первых исследований со значимостью в 1 сигма", — объяснил Анатолий Серебров.
Ученые планируют повысить точность эксперимента "Нейтрино-4". Для этого они собираются создать новую нейтринную лабораторию на реакторе СМ-3 с усовершенствованной детекторной системой. В ходе следующего эксперимента специалисты планируют получить больше статистических данных.
"Поиском стерильных нейтрино занимаются семь коллабораций по всему миру. Новый этап исследований мы планируем провести совместно с коллегами из Объединенного института ядерных исследований и коллаборации NEOS (Южная Корея)", — сообщил Анатолий Серебров.
По мнению ученых, подтверждение результатов эксперимента "Нейтрино-4" произведёт революцию в физике элементарных частиц, что потребует расширения Стандартной модели и введения нового типа нейтрино, которые претендуют на роль частиц тёмной материи.