В начале января в архиве препринтов вышло сразу две обзорные работы, утверждающие, что четвертый тип нейтрино — стерильные нейтрино — скорее всего существует. На основании современных данных авторы оценивают параметры расширенного нейтринного сектора (Модель 3+1).
Проблему существования стерильных нейтрино обсудили на Объединенном семинаре Отделения физики высоких энергий и Отделения теоретической физики НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. С докладом выступил заведующий Отделом нейтронной физики нашего Института, член-корреспондент РАН Анатолий Павлович Серебров.
На сегодняшний день известно три типа (аромата) нейтрино: электронное (νe), мюонное (νμ) и тау-лептонное (ντ). Эти состояния участвуют в слабом взаимодействии и могут быть экспериментально идентифицированы. Экспериментально установлен феномен смешивания этих трех типов, что объясняется наличием у нейтрино массы. Трем ароматам ставится в соответствие три массовых состояния: ν1, ν2 и ν3. Каждое массовое состояние можно описать смесью состояний по ароматам, и наоборот. Делается это при помощи 3×3-матрицы нейтринного смешивания (матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, ПМНС-матрица). Уже давно в литературе обсуждается возможность существования нейтрино четвертого типа.
Из-за того что эта (пока еще) гипотетическая частица не взаимодействует с материей, а проявляет себя только в осцилляциях, нейтрино такого типа называют стерильными. Существование стерильного нейтрино потребует добавления к матрице нейтринного смешивания как минимум дополнительной строки и столбца (4×4-матрица).
Поиск четвёртого типа нейтрино ведется по нескольким направлениям. Изучаются как осцилляции электронных антинейтрино, образующихся в ядерных реакторах, так и поведение мюонных нейтрино, созданных при помощи ускорителей. В начале января в архиве препринтов вышло сразу две обзорные работы, склоняющиеся к тому, что стерильные нейтрино существуют, и обсуждающие параметры матрицы нейтринного смешивания для этого сценария.
Первую из двух работ направили сотрудники Отделения нейтронных исследований НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ: А.П. Серебров, Р.М. Самойлов и М.Е. Чайковский. Их анализ в основном полагается на результаты эксперимента Нейтрино-4, а также на результаты измерений эксперимента BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions, Баксанская обсерватория ИЯИ РАН). Если объединить данные этих изменений, то статистическая значимость указания на существование стерильного нейтрино достигнет 4,9σ, что близко к неофициальному критерию открытия, принятого в физике.
Вторая работа базируется на данных экспериментов MicroBooNE и MiniBooNE (Национальная ускорительная лаборатория им. Э. Ферми, США). Данные MicroBooNE, опубликованные осенью 2021 года, тоже могут быть интерпретированы как указание на существование стерильного нейтрино. Статистическая значимость указания составляет 4.3σ (см. рисунок 2). Интрига заключается в том, что значения параметров Модели 3+1, полученные из этих измерений, существенно отличаются от значений группы А.П. Сереброва. В частности, данные лучше всего описываются при очень малой разнице квадратов масс: Δm142 = 0.209, а |Ue4|2 = 0.502 и |Uμ4|2 = 0.0158.
Насколько результаты этих двух работ противоречат друг другу? Об этом Анатолий Павлович Серебров рассказал на Объединенном семинаре Отделения физики высоких энергий и Отделения теоретической физики Института, который состоялся 13 января. Наиболее вероятные значения, полученные в этих работах, явно расходятся, однако оказывается существует такая область параметров стерильного нейтрино, которая может удовлетворительно описать оба измерения.
В завершении семинара Анатолий Павлович рассказал о планах на будущее. В настоящее время установка Нейтрино-4 модернизируется, а также ведётся строительство второго детектора. Суммарно это поможет увеличить точность более чем в 3 раза. Не дремлют и научные конкуренты. Ожидается, что комплекс нейтринных экспериментов Лаборатории им. Э. Ферми скоро накопит и обработает статистику, достаточную для прояснения вопроса о существовании стерильного нейтрино с параметрами, полученными группой А.П. Сереброва.