Физики почти тридцать лет спорили о том, существует ли в природе загадочный четвертый вид нейтрино, так называемое «стерильное» нейтрино, которое практически не взаимодействует с обычным веществом.
Теперь, похоже, эта интрига подошла к концу: новые результаты эксперимента MicroBooNE в Fermilab показывают, что следов стерильных нейтрино не видно. Статья с выводами опубликована в журнале Nature, и она фактически закрывает одну из самых заманчивых идей современной физики частиц.
История началась с так называемой проблемы солнечных нейтрино. В 1960-х годах физики впервые смогли зарегистрировать нейтрино, летящие к нам от Солнца, и сразу столкнулись с загадкой: детекторы фиксировали их заметно меньше, чем предсказывала теория. Позже стало ясно, что нейтрино бывают в трех «сортов» или вкусах: электронные, мюонные и тау. Подозрение было таким: возможно, по дороге от Солнца до Земли одни виды нейтрино превращаются в другие, а детекторы настроены не на все сразу.
В 2002 году эксперимент Sudbury Neutrino Observatory подтвердил именно это. Оказалось, что «пропавшие» солнечные электронные нейтрино никуда не исчезли, а просто переоделись в мюонные и тау по пути к Земле. Отсюда следовал важный вывод: если нейтрино умеют осциллировать, то есть переходить из одного состояния в другое, у них должна быть хоть какая-то, пусть и очень маленькая, масса. При этом вкусы нейтрино и их массы устроены в квантовом смысле хитро: разные массовые состояния смешиваются и дают нам наблюдаемые электронные, мюонные и тау-нейтрино.
Но на этом странности не закончились. Эксперименты LSND в Лос-Аламосе и MiniBooNE в Fermilab увидели намеки на то, что мюонные нейтрино превращаются в электронные так, как это вообще не должно происходить, если в природе есть только три вкуса. Чтобы объяснить аномалию, физики предложили ввести четвертый вариант - стерильное нейтрино, которое не участвует в слабом взаимодействии и почти не «чувствует» обычную материю. Такая частица могла бы даже претендовать на роль компонента темной материи. Но прямых доказательств ее существования так и не находили, лишь редкие намеки в данных.
Чтобы разобраться с этой загадкой, в Fermilab построили установку MicroBooNE. Там используют два пучка нейтрино, которые направляют в детектор с жидким аргоном, работающий как камера проекции по времени. Когда нейтрино сталкивается с атомом аргона, это порождает каскад частиц, оставляющих характерные треки. Если бы стерильные нейтрино действительно существовали и вмешивались в осцилляции, в данных появлялся бы избыток электронных нейтрино по сравнению с ожиданиями.
В этом году коллаборация MicroBooNE опубликовала первые результаты анализа всех данных, собранных с 2015 по 2021 год. Уже тогда исследователи сделали осторожный вывод: стерильное нейтрино не объясняет аномалию, замеченную в предыдущем эксперименте MiniBooNE. Новый анализ, описанный в свежей статье, подтверждает этот вывод и делает его гораздо жестче. Данные хорошо согласуются со сценарием, где никаких осцилляций в стерильное состояние нет, то есть возможность существования такой частицы в нужном диапазоне параметров практически исключена.
Теперь внимание физиков переключается на другие объяснения старых аномалий и на новые эксперименты. В Fermilab уже работает программа Short-Baseline Neutrino (SBN) с двумя детекторами на разном расстоянии от источника, которые тоже собирают данные. А в Южной Дакоте строится гигантский детектор DUNE, которому будут посылать мощный пучок нейтрино из Fermilab на расстояние около 800 миль под землей. Один из участников MicroBooNE и DUNE, физик Дэвид Карателли, сравнивает установки так: MicroBooNE по размеру как школьный автобус, а DUNE будет сопоставим уже со стадионом. По его словам, главный вклад MicroBooNE в том, что эксперимент показал: технология жидкоаргоновых детекторов действительно позволяет очень точно измерять свойства нейтрино. Все методы анализа, отработанные на MicroBooNE, напрямую пригодятся на следующем, куда более масштабном шаге.