На прошлой неделе в Милане (Италия) прошла XXXI-я Международная конференция по физике нейтрино и астрофизике. Мероприятие проходит раз в два года и международные эксперименты традиционно стремятся представить на нём свои последние результаты в этих областях физики. Пожалуй, самым интересным из представленных на конференции измерений являются итоговые результаты первой фазы измерений стерильного нейтрино американского эксперимента PROSPECT.
В настоящее время достоверно установлено существование трёх типов нейтрино: электронного (νe), мюонного (νμ) и тау-лептонного (ντ). Также надежно установлен феномен смешивания этих трех типов. Нейтринные осцилляции свидетельствуют о массивности этих частиц. Трем ароматам ставится в соответствие три массовых состояния: ν1, ν2 и ν3. С теоретической точки зрения не исключена возможность существования четвертого типа нейтрино (стерильного). Такое название связано с тем, что эта (пока еще гипотетическая) частица не взаимодействует с материей, но может проявлять себя только в осцилляциях. На сегодняшний день наиболее обнадеживающими указаниями на существование стерильных нейтрино являются результаты российских экспериментов НЕЙТРИНО-4 и BEST.
В эксперименте PROSPECT, детектор располагался в здании высокопоточного реактора HFIR мощностью 85 МВт Национальной лаборатории Ок-Ридж (США). Кольцевая цилиндрическая активная зона реактора HFIR имеет внешний диаметр 43.5 см и высоту 50.8 см. Компактные размеры активной зоны позволяют измерять осцилляции нейтрино в масштабах порядка нескольких метров, что сопоставимо с условиями эксперимента НЕЙТРИНО-4. Сегментированный детектор (154 сегмента) выполнен на основе жидкого органического сцинтиллятора, находится на расстоянии 6–9 метров от центра реактора и регистрирует события обратного бета-распада (inverse beta decay, IBD), соответствующие осцилляциям стерильного нейтрино. К сожалению, в отличии от детектора эксперимента НЕЙТРИНО-4, детектор PROSPECT-I неподвижный, что снижает возможности устранения некоторых видов систематических погрешностей.
Авторы исследования утверждают, что видимые на рисунке 1 структуры (осцилляции), как для сигнала, так и для фона, возникают в результате взаимодействия между формой энергетического спектра нейтрино, Eν, выбранным разбиением на бины распределения отношения L/⟨Eν⟩ и геометрией детектора PROSPECT-I.
На рисунке в зависимости от L/⟨Eν⟩ показано отношение зарегистрированных событий обратного бета-распада к их ожидаемому числу в предположении отсутствия осцилляций, связанных со стерильным нейтрино. Измеренная детектором PROSPECT-I величина хорошо совпадает с единицей (пурпурная гистограмма). Можно сказать, что даже слишком хорошо – ведь вероятность того, что из 37 экспериментальных точек только четыре и менее окажутся на расстоянии более одного стандартного отклонения, составляет всего 0.3%. Измерения позволили экспериментаторам из коллаборации PROSPECT поставить ограничения на возможные параметры стерильного нейтрино – массовый параметр и угол смешивания. Они показаны на рисунке 3. С одной стороны, данные PROSPECT не противоречат результатам НЕЙТРИНО-4 или BEST, то есть, в пространстве есть области, в которых три эксперимента попарно согласуются друг с другом. С другой стороны, даже для уровня достоверности 95% в пространстве параметров нет точки, одновременно «разрешенной» тремя измерениями сразу.
В заключение следует отметить, что для окончательного прояснения вопроса необходимы новые измерения. Такие эксперименты готовятся в настоящее время. Как отмечали некоторые докладчики на конференции Neutrino-2024: «Скорее всего, НЕЙТРИНО-4 будет первым, кто проверит свое заявление о наблюдении стерильных нейтрино».