Стерильного нейтрино не существует: эксперимент MicroBooNE закрыл лазейку в «Новую физику»

Физики Фермилаба нанесли, возможно, окончательный удар по одной из самых популярных гипотез последних десятилетий. Стерильное нейтрино — частицу, призванную объяснить дыры в Стандартной модели, — не обнаружено. Данные эксперимента MicroBooNE, опубликованные в Nature, показывают: Вселенная, скорее всего, скучнее, чем мы надеялись.

С одной стороны, у нас есть Стандартная модель — теория, которая с невероятной точностью описывает фундаментальные взаимодействия. С другой стороны, мы знаем, что она неполная: она не объясняет гравитацию, темную материю и массу нейтрино. Именно поэтому любое отклонение от предсказаний модели воспринимается как долгожданный ключ к новой физике.

На протяжении десятилетий главной надеждой на такой прорыв была гипотеза стерильного нейтрино. Однако новые данные, полученные в национальной лаборатории имени Ферми (Fermilab), показывают, что природа устроила всё иначе.

Исторический контекст: откуда взялась проблема

Согласно общепринятой теории, существует три типа (аромата) нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Эти частицы обладают уникальным свойством осцилляции — способностью превращаться друг в друга в процессе движения.

В 1990-х годах эксперимент LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) зафиксировал странное явление. Детектор регистрировал появление электронных нейтрино там, где их быть не должно, и в количествах, превышающих расчетные. Позже аналогичный результат показал эксперимент MiniBooNE. Эти данные указывали на существование осцилляций на очень коротких дистанциях, что математически невозможно в рамках модели с тремя нейтрино.

Единственным разумным объяснением было введение четвертого участника — стерильного нейтрино (с массой порядка 1 эВ). «Стерильным» его назвали потому, что оно не участвует даже в слабом взаимодействии (в отличие от трех известных типов), а проявляет себя только через гравитацию и смешивание с другими нейтрино. Если бы эта частица существовала, она решила бы сразу несколько космологических непоняток.

Однако существовала и альтернативная точка зрения: аномальные сигналы могли быть результатом ошибки оборудования или неправильной интерпретации фоновых событий. Именно для проверки этого утверждения был построен детектор MicroBooNE.

Технологический прорыв: жидкий аргон против минерального масла

Главная проблема предыдущего эксперимента, MiniBooNE, заключалась в технологии регистрации частиц. Он представлял собой резервуар с минеральным маслом, где частицы регистрировались по черенковскому излучению — слабым вспышкам света. Главный недостаток этого метода — низкая детализация. Детектор не мог надежно отличить сигнал, порожденный электроном (маркер появления электронного нейтрино), от сигнала, порожденного фотоном (гамма-квантом). Это создавало неопределенность: ученые видели избыток событий, но не могли с уверенностью сказать, нейтрино это или просто фоновый шум.

MicroBooNE использует принципиально иную технологию — жидкоаргоновую время-проекционную камеру (LArTPC).

Это криогенная установка, заполненная 85 тоннами жидкого аргона высокой чистоты. Когда нейтрино взаимодействует с ядром аргона, образуются заряженные частицы, которые выбивают электроны из атомов среды. Под действием мощного электрического поля эти свободные электроны дрейфуют к анодной плоскости, состоящей из тысяч чувствительных проволок.

Результатом становится детальная трехмерная реконструкция траектории каждой частицы с миллиметровой точностью. Это позволяет физикам визуально и алгоритмически отличать ионизационный трек электрона от трека гамма-кванта.

Методология: стратегия двух пучков

Главная научная ценность новой статьи в Nature заключается не только в точности детектора, но и в инновационном методе анализа данных. Физики использовали потоки нейтрино сразу от двух ускорительных источников:

1. BNB (Booster Neutrino Beam): пучок, расположенный на одной оси с детектором. Он имеет низкую энергию (около 800 МэВ) и предельно малую примесь электронных нейтрино.
2. NuMI (Neutrinos at the Main Injector): более мощный пучок, проходящий под углом 8 градусов к детектору. Из-за геометрии и расстояния состав нейтрино, долетающих от NuMI до детектора, существенно отличается от BNB.

Зачем нужны два пучка? В экспериментах по осцилляции существует проблема вырождения параметров. Наблюдая за потоком частиц, сложно разделить два процесса:

• Исчезновение: уменьшение числа мюонных нейтрино.
• Появление: возникновение электронных нейтрино.

Оба этих процесса могут давать схожие искажения в данных, если смотреть только на один источник. Комбинируя данные от BNB и NuMI, которые имеют разные энергетические спектры и разный исходный состав, коллаборация смогла жестко ограничить систематические погрешности. Это позволило изолировать эффекты, которые могло бы вызывать стерильное нейтрино, и проверить их наличие с беспрецедентной строгостью.

Результаты анализа

В ходе исследования были проанализированы данные, соответствующие годам работы ускорителя. Ученые выделили 14 категорий событий взаимодействия нейтрино. Проверка проводилась по так называемой схеме «3+1», где к трем обычным нейтрино добавляется одно стерильное.

Результаты оказались однозначными:

1. Отсутствие сигнала: детектор не зафиксировал статистически значимого избытка электронных нейтрино, который предсказывался на основе данных LSND и MiniBooNE.
2. Соответствие Стандартной модели: распределение событий по энергиям идеально ложится на предсказания классической теории с тремя нейтрино. Вероятность согласования (p-value) составляет 0.96, что говорит о высочайшей точности текущей модели.
3. Исключение параметров: области параметров (масса и угол смешивания), которые могли бы объяснить прошлые аномалии существованием стерильного нейтрино, исключены с уровнем достоверности 95%.

Новые данные закрывают не только вопрос с LSND и MiniBooNE, но и ставят под сомнение интерпретацию так называемой «галлиевой аномалии» (дефицит нейтрино, наблюдаемый при калибровке детекторов радиоактивными источниками).

Анализ последствий

Публикация MicroBooNE сужает поле поиска и отсекает тупиковые ветви развития теории.

1. Кризис интерпретации аномалий. Сам факт того, что предыдущие эксперименты (LSND, MiniBooNE) видели нечто странное, не оспаривается. Однако теперь доказано, что причиной этих сигналов не является простая осцилляция в стерильное нейтрино. Это означает, что аномалии имеют другую природу. Возможно, это неизвестные ранее фоновые процессы взаимодействия нейтрино с веществом, которые не были учтены в компьютерных моделях прошлого поколения. Или же это проявление еще более сложной физики, не сводимой к одной дополнительной частице.

2. Удар по простым моделям Темного сектора. Легкое стерильное нейтрино было удобным кандидатом на роль портала в Темный сектор — скрытую часть Вселенной, не взаимодействующую со светом. Исключение этой частицы заставляет теоретиков разрабатывать более сложные конструкции, такие как распадающиеся нейтрино или тяжелые нейтральные лептоны, поиски которых требуют других энергий и методик.

3. Валидация технологии LArTPC. Эксперимент доказал исключительную эффективность жидкоаргоновых камер. Это критически важно, поскольку следующий мега-проект физики частиц — эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) — будет использовать именно эту технологию, но в масштабах, в сотни раз превышающих MicroBooNE. Успех нынешнего анализа подтверждает, что DUNE сможет достичь заявленных целей по изучению нарушения CP-инвариантности (асимметрии материи и антиматерии).

Заключение

Эксперимент MicroBooNE выполнил свою главную задачу: он провел самую строгую проверку гипотезы легкого стерильного нейтрино с использованием ускорителей. Результат показывает, что Стандартная модель, несмотря на все свои недостатки, остается крайне устойчивой конструкцией.

Мы вынуждены признать: простого решения для загадок нейтринной физики не существует. Призрак стерильного нейтрино, преследовавший физиков тридцать лет, не обнаружен. А значит необходимо искать новые, более изощренные объяснения тому, как устроен невидимый фундамент нашей Вселенной.

Источник:Nature