С 16 по 22 июня 2024 г. в Милане проходила крупнейшая международная конференция по нейтринной физике Neutrino-2024. На мероприятии были представлены актуальные результаты исследований в области нейтринной физики и в смежных научных направлениях. Особое внимание было уделено проектам, реализуемым в рамках Нейтринной программы Объединенного института ядерных исследований.
Значимой новостью конференции стало обновление ограничения на эффективную массу нейтрино mβ = √∑i|Vei|2 m2i в эксперименте KATRIN, изучающего кинематику бета-распада трития. Новое значение составляет mβ < 0,45 эВ на 90% уровне достоверности (УД). Ожидается улучшение этого ограничения до mβ < 0,3 эВ (90% УД) с данными, набранными до 2025 года включительно.
Космологические данные, такие как анизотропия космического микроволнового фона и барионные акустические осцилляции, позволяют ограничить сумму масс легких типов нейтрино. Неожиданной новостью стало объявление о несогласованности космологической оценки суммы масс нейтрино, полученной экспериментами PLANCK и DESI, с результатами осцилляционных экспериментов. Статистическая значимость этого расхождения пока не превышает 2,5σ. Стоит отметить, что космологические измерения сильно зависят от моделей.
Продолжается поиск стерильных нейтрино в связи с наличием аномалий, которые могут объясняться существованием такого состояния нейтрино. Экспериментальные данные LSND и MiniBooNE, реакторная антинейтринная аномалия, галлиевая аномалия и наблюдения Neutrino-4 указывают на различающиеся значения параметров смешивания со стерильными состояниями. Поэтому единого объяснения этих аномалий в виде стерильного нейтрино с конкретными параметрами нет. Продолжаются проверки результатов этих экспериментов в серии новых проектов. В настоящее время не найдены ни новые аномалии, ни свидетельства существования стерильных нейтрино.
Результаты экспериментов LSND и MiniBooNE не подтверждаются результатами эксперимента MicroBooNE. Реакторная аномалия, возникшая как разногласие между предсказанным и измеренным потоком антинейтрино от реакторов, по-видимому, начинает находить свое объяснение в связи с появлением новых калибровочных данных и измерениями, проведенными в эксперименте Daya Bay, а затем подтвержденными коллаборациями RENO, STEREO, NEOS и DANSS. Судя по всему, аномалия связана с неточностями в моделировании вкладов различных цепочек ядерных реакций, особенно с участием атомного ядра 235U. Окончательное разрешение этой аномалии потребует более глубокого понимания процессов, происходящих в ядерном реакторе — экспериментальные коллаборации продолжают исследования.
Результат Neutrino-4 в большей части области допустимых параметров, включая лучшее значение подгонки, исключается новыми результатами эксперимента PROSPECT на уровне значимости более 5σ. Причины галлиевой аномалии (BEST, SAGE/GALLEX) на данный момент остаются неизвестными.
Ожидается, что новые результаты существующих экспериментов по поиску стерильных нейтрино, включая DANSS, Neutrino-4, BEST, PROSPECT, и первые данные новых проектов (SBND в лаборатории Fermilab, JSNS2 в протонном ускорительном комплексе J-PARC) могут пролить свет на причины обсуждаемых аномалий.
Представлены первые результаты поиска безнейтринного двойного бета-распада в эксперименте LEGEND-200, более строгие ограничения на период полураспада от KamLAND-Zen в конфигурации с 800 кг ксенона, недавние результаты CUORE. Существующие эксперименты достигли области чувствительности к двойному безнейтринному бета-распаду, предсказываемой для обратного порядка нейтринных масс, но сам процесс пока не наблюдается. Это важное достижение подчеркивает значительный прогресс в исследованиях безнейтринного двойного бета-распада и приближает нас к возможному ответу на вопрос о природе массы нейтрино.
SuperNEMO и SNO+ набирают данные и готовятся представить первые результаты. Эксперименты следующего поколения: LEGEND-1000, KamLAND2-Zen, CUPID и другие — планируют в следующем десятилетии закрыть все пространство параметров для случая обратного порядка нейтринных масс. Для достижения чувствительности к двойному безнейтринному бета-распаду в случае нормального порядка нейтринных масс потребуются либо огромные объемы вещества, либо новая методика. Отдельно стоит отметить острую необходимость в работе физиков-теоретиков по расчету ядерных матричных элементов, которые являются ключевым входным параметром для этого типа экспериментов.
Нейтринные телескопы давно стали важным игроком в изучении космоса наравне с гамма- и радиотелескопами. IceCube продолжает измерять спектр астрофизических нейтрино и каталогизировать их источники в поисках корреляций с известными космическими объектами. В Северном полушарии развиваются проекты Baikal-GVD (в данный момент самый большой по объему в этом полушарии) и ARCA/KM3NeT. Последний состоит из 28 гирлянд, а всего планируется установить 280. ARCA/KM3NeT впервые зарегистрировал нейтрино сверхвысокой энергии, оцениваемой в десятки ПэВ. В будущем в Северном полушарии планируется создание детекторов с рекордными активными объемами: P-ONE (Канада), TRIDENT и HUNT (Китай).
Обновленные результаты представили также основные на сегодняшний день эксперименты с ускорительными нейтрино, определяющие точность измерения параметров нейтринных осцилляций — NOvA и T2K. Эксперимент T2K добавил 10% статистики нейтринных данных к предыдущему результату и начал набор данных с обновленным ближним детектором. Эксперимент NOvA представил первые результаты с удвоенной статистикой с нейтринным пучком. Оба эксперимента, как и прежде, но с увеличенной статистической значимостью, указывают на нормальный порядок нейтринных масс.
Что касается значений фазы нарушения СР-четности δCP, их результаты все еще различаются: NOvA указывает на фазу, сохраняющую CP-четность, в то время как T2K — на нарушение CP-четности. Рекорды точности представленных измерений остальных параметров осцилляций были побиты один за другим: IceCube представил точное измерение Δm232 с атмосферными нейтрино, T2K обновил свой результат по этому параметру. На данный момент самое точное его измерение представил эксперимент NOvA. Первые результаты эксперимента SNO+ с реакторными антинейтрино подтвердили существующее расхождение между измерениями Δm221 по осцилляциям солнечных нейтрино и реакторных антинейтрино.
Представлены первые результаты по измерению параметров осцилляций нейтрино в детекторе ORCA/KM3NeT, в настоящий момент он продолжает наращивать объем. Продолжает набирать данные детектор Super-Kamiokande. Окончательное измерение параметров трехфлейворных нейтринных осцилляций ожидается получить только с вводом в строй экспериментов DUNE и Hyper-Kamiokande. Однако указания на решение одной из флагманских задач — определение порядка нейтринных масс — в ближайшие несколько лет, возможно, будут найдены в экспериментах JUNO, IceCube-Upgrade и ORCA. Ныне действующие NOvA и T2K продолжат набирать данные еще несколько лет и будут иметь шанс улучшить современные измерения порядка нейтринных масс и фазы нарушения CP-четности.
Наметился глобальный тренд на полноценный совместный анализ данных разных нейтринных экспериментов с целью улучшения статистической значимости измерений. Одними из первых экспериментов, которые сделали такой совместный анализ, были NOvA и T2K, а также Super-Kamiokande и T2K. На конференции эти результаты также были представлены. В будущем планируется провести совместный анализ данных этих экспериментов с увеличенной статистикой. Эксперименты JUNO, IceCube и ORCA также планируют провести совместный анализ данных для измерения порядка нейтринных масс с высокой статистической значимостью. Ведется работа по совместному анализу данных экспериментов Daya Bay, Prospect и Stereo для получения новых ограничений на параметры смешивания стерильных нейтрино.
Кроме того, в рамках конференции обсуждались теоретические исследования в физике нейтрино (происхождение масс нейтрино, расчет матричных элементов для поиска безнейтринного двойного бета-распада и др.), регистрация нейтрино от столкновений протонов в экспериментах на LHC, измерение сечений взаимодействий нейтрино и многое другое.
Представленные на конференции результаты подтверждают значительный прогресс в области нейтринной физики, демонстрируя переход к эре прецизионных измерений. Объединенный институт ядерных исследований играет важную роль в развитии всех ключевых направлений исследований в этой области.
В рамках нейтринной программы ОИЯИ, в которой задействовано порядка двухсот сотрудников, ведутся работы в экспериментах Baikal-GVD, NOvA, T2K, Daya Bay, JUNO, DANSS, νGeN, RICOCHET, SuperNEMO, LEGEND, TGV, MONUMENT, Edelweiss, DarkSide, NA65/DsTau, FASER, Borexino, а также методические и теоретические исследования.