Большой коллектив российских ученых из ведущих научных центров, включая Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, Объединенный институт ядерных исследований, НИЦ «Курчатовский институт», МФТИ и Институт ядерных исследований РАН, провел один из самых чувствительных в мире поисков больших дополнительных измерений Вселенной.
С помощью уникального детектора DANSS, расположенного в непосредственной близости от энергетического ядерного реактора на Калининской АЭС, физики проанализировали рекордные 5,8 миллиона событий взаимодействия антинейтрино. Хотя прямого подтверждения существования «скрытых миров» найдено не было, полученные результаты установили самые жесткие на сегодняшний день ограничения на их возможные параметры и с высокой долей уверенности исключили гипотезу о дополнительных измерениях как объяснение многолетних загадок в физике нейтрино.
Результаты исследования опубликованы в журнале JETP Letters. Современная физика элементарных частиц описывается так называемой Стандартной моделью — элегантной и чрезвычайно успешной теорией, которая, однако, не является полной. Она не включает в себя гравитацию и оставляет без ответа ряд фундаментальных вопросов. Одним из таких вопросов является «проблема иерархии» — колоссальный разрыв между силой гравитационного взаимодействия и тремя другими фундаментальными силами.
Для решения этой проблемы физики-теоретики предложили смелую идею: что, если наша Вселенная на самом деле многомерна, а мы просто живем на трехмерной «мембране» или «бране», погруженной в пространство с большим числом измерений. В таких моделях гравитация кажется слабой лишь потому, что ее сила «растекается» по всем измерениям, в то время как остальные взаимодействия заперты в нашем трехмерном мире.
Эта гипотеза, известная как модель больших дополнительных измерений (LED: Large Extra Dimensions), имеет удивительное следствие для самой неуловимой частицы во Вселенной — нейтрино. Предполагается, что нейтрино, в отличие от большинства других частиц, могут «просачиваться» или осциллировать в эти скрытые измерения, становясь невидимыми для наших детекторов. Если это так, то, наблюдая за потоком нейтрино от мощного источника, мы должны зафиксировать их аномальное исчезновение.
И у физиков были веские причины искать именно такой эффект. Уже несколько десятилетий существуют две загадки, или «аномалии»: реакторная антинейтринная аномалия (дефицит антинейтрино, наблюдаемый от ядерных реакторов по всему миру) и галлиевая аномалия (аналогичный дефицит в экспериментах с радиоактивными источниками). Модель LED была одним из изящных кандидатов на роль единого объяснения этих явлений.
Эксперимент DANSS очень хорошо подходит для проверки этой гипотезы. Его название — это аббревиатура от «Детектор антиНейтрино на основе твердотельного сцинтиллятора» (Detector of the reactor AntiNeutrino based on Solid Scintillator). Это компактный куб объемом один кубический метр, состоящий из 2500 сцинтилляционных счетчиков, способных регистрировать вспышки света от взаимодействия антинейтрино. Уникальность детектора заключается в его расположении и мобильности. Он находится прямо под ядром энергетического реактора ВВЭР-1000 тепловой мощностью 3 ГВт, что обеспечивает колоссальный поток антинейтрино и позволяет регистрировать в детекторе DANSS до 5000 событий в день.
Более того, детектор установлен на подвижной платформе, что позволяет менять расстояние до центра активной зоны реактора от 10,9 до 12,9 метра. Это ключевая особенность, позволившая ученым применить элегантный методический прием: измеряя спектр антинейтрино в разных точках и затем находя отношение этих спектров, они смогли практически полностью исключить систематические погрешности, связанные с неопределенностью в исходном потоке частиц от реактора.
Проанализировав данные, собранные с 2016 по 2024 год, научная коллаборация не обнаружила никаких статистически значимых признаков осцилляций нейтрино в дополнительные измерения. Данные прекрасно согласуются со стандартной картиной трехмерного мира без «порталов» для нейтрино. Однако в современной физике отрицательный результат часто бывает не менее важен, чем открытие. Не обнаружив искомого явления, ученые смогли с беспрецедентной точностью очертить «запретную зону» для параметров гипотетической модели — размера дополнительного измерения и массы самого легкого нейтрино.
Наталия Скробова, сотрудник кафедры фундаментальных взаимодействий и физики элементарных частиц МФТИ, пояснила:
«Наш эксперимент — это как прослушивание очень слабого сигнала на фоне сильного шума. Мы использовали уникальное расположение и конструкцию детектора DANSS, чтобы максимально этот шум подавить. Хотя мы и не обнаружили прямого сигнала от «убегающих» в иные измерения нейтрино, мы смогли с беспрецедентной точностью сказать, где именно их точно нет. Мы значительно сузили «карту поисков» для новой физики, закрыв большую часть параметров, которыми ранее пытались объяснить аномалии. В науке такой результат чрезвычайно важен, поскольку он отсекает неверные пути и позволяет сконцентрировать усилия на более перспективных теориях».
Полученные ограничения являются лучшими в мире в целом ряде областей и, что самое главное, они с уровнем достоверности более 99% исключают те комбинации параметров, которые были наиболее предпочтительны для объяснения реакторной и галлиевой аномалий. Это мощный удар по идее, что эти загадки можно решить с помощью простейшей модели с одним доминирующим дополнительным измерением. Результат DANSS указывает на то, что, скорее всего, причина аномалий кроется не в экзотической новой физике, а в более прозаических вещах — например, в неточностях наших моделей ядерных процессов внутри реактора.
Работа коллаборации DANSS — это яркий пример того, как прецизионные измерения на грани технологических возможностей позволяют проверять самые смелые идеи о строении нашего мира. Поиски «новой физики» продолжаются, но теперь, благодаря российским ученым, это поле поисков стало значительно уже.