Физики, работающие на эксперименте MicroBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab), представили новые данные, которые не подтверждают существование так называемых стерильных нейтрино — гипотетических частиц, ранее считавшихся возможным объяснением аномальных результатов прошлых экспериментов.
Нейтрино — одни из самых распространённых частиц во Вселенной: по современным оценкам, через тело человека каждую секунду проходят десятки триллионов нейтрино. При этом они почти не взаимодействуют с веществом, поскольку подчиняются лишь слабому и гравитационному взаимодействиям. Именно эта «призрачная» природа делает нейтрино одновременно фундаментально важными и чрезвычайно трудными для изучения.
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, существует три типа, или «аромата», нейтрино. Одной из их ключевых особенностей является способность превращаться друг в друга в процессе движения — явление, известное как нейтринные осцилляции. Однако в начале 2000-х годов эксперименты LSND и MiniBooNE зафиксировали отклонения, которые плохо вписывались в эту картину. Одним из наиболее популярных объяснений было предположение о существовании четвёртого типа нейтрино — стерильного, которое не участвует даже в слабом взаимодействии.
Эксперимент MicroBooNE был специально спроектирован для проверки этой гипотезы. Он использует детектор на жидком аргоне — так называемую временную проекционную камеру (LArTPC), которая позволяет с высокой точностью «фотографировать» взаимодействия нейтрино с атомами аргона. Когда нейтрино сталкивается с атомом, возникают заряженные частицы, выбивающие электроны из атомов. Под действием электрического поля эти электроны дрейфуют к считывающим элементам, формируя детальное трёхмерное изображение события.
Анализ данных показал, что сигналы, зарегистрированные MicroBooNE, не демонстрируют признаков осцилляций в стерильные нейтрино. Более того, эксперимент не подтвердил сами аномалии, наблюдавшиеся ранее, и тем самым исключил ряд возможных интерпретаций, включая сценарий с участием стерильных нейтрино.
По словам участников работы, это не означает, что загадка прошлых результатов полностью решена. Однако новые данные существенно сужают круг возможных объяснений и позволяют более точно наметить направления дальнейших исследований. В частности, они показывают, что если за аномалиями действительно стоит новая физика, то она должна быть иной природы.
Работа MicroBooNE является частью более широкой программы по изучению нейтрино на Fermilab — Short-Baseline Neutrino (SBN). Параллельно физики готовятся к следующему крупному этапу исследований — эксперименту DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). В нём нейтрино будут преодолевать расстояние около 1300 километров — от Иллинойса до подземного детектора в Южной Дакоте.
DUNE будет использовать значительно более крупные и чувствительные LArTPC-детекторы и нейтринный пучок с широким спектром энергий. Это позволит учёным изучать осцилляции с беспрецедентной точностью, определить иерархию масс нейтрино и проверить, ведут ли себя нейтрино и антинейтрино одинаково — вопрос, имеющий прямое отношение к пониманию происхождения материи во Вселенной.
Таким образом, результаты MicroBooNE не закрывают нейтринную физику, а, напротив, делают её более сфокусированной. Исключив одно из самых обсуждаемых объяснений прошлых аномалий, физики получили более чёткую карту того, где именно стоит искать новую физику за пределами Стандартной модели.