Нейтринные эксперименты MINOS+ и Daya Bay объединили результаты своих исследований, чтобы подвергнуть тщательной проверке гипотезу о существовании стерильных нейтрино.

Международная группа из более чем 260 ученых установила наиболее строгие ограничения гипотезы о существовании стерильных нейтрино. Ученые двух крупных международных коллабораций: эксперимента Daya Bay (Китай) и эксперимента MINOS+ (Фермилаб, США), на страницах журнала Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 125, 071801 (2020)) сообщают о выводах проведенного анализа, которые исключают осцилляции в стерильное нейтрино как основное объяснение неожиданных результатов наблюдений в недавних экспериментах LSND и MiniBooNE.

Нейтрино являются элементарными частицами, которые, как и электроны, невозможно расщепить на составные части. Они не похожи на другие известные частицы, потому что способны беспрепятственно проникать сквозь огромные пласты материи.

На сегодняшний день известны три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Двумя десятилетиями ранее ученые обнаружили, что нейтрино могут переходить из одного типа в другой благодаря явлению, называемому «нейтринными осцилляциями», — открытию, предсказанному сотрудником Лаборатории ядерных проблем Объединенного институт ядерных исследований (г. Дубна) Б. М. Понтекорво еще в 1957 году, за которое была присуждена Нобелевская премия по физике за 2015 год. Например, нейтрино, рожденное электронным, путешествуя в пространстве, может стать мюонным или тау-нейтрино.

И хотя сегодня весь полученный объем данных очень хорошо укладывается в модель существования нейтрино трех типов, участники некоторых экспериментов сообщают о наблюдении аномалии, которая может предполагать существование новых типов нейтрино. Это эксперимент LSND Национальной лаборатории в Лос-Аламосе и эксперимент MiniBooNE в Фермилабе. В обоих случаях детекторы были облучены пучками мюонных нейтрино и наблюдалось превышение числа кандидатов-событий с электронными нейтрино по сравнению с ожидаемым с учетом осцилляций трех известных типов нейтрино. В то же время, полученные результаты хорошо согласуются, если предположить, что в этих процессах участвовало нейтрино еще одного типа — стерильное нейтрино. Стерильные нейтрино невозможно зарегистрировать напрямую, поскольку они не взаимодействуют с веществом. Но есть шанс обнаружить их через осцилляции с тремя известными типами нейтрино. Новые результаты анализа Daya Bay и MINOS+ ставят это под сомнение.

На рисунке показано сравнение ограничения на sin²2θ_µe по совместным данным экспериментов MINOS, MINOS+, Daya Bay и Bugey-3 на уровне достоверности 90% с разрешенными областями по данным LSND и MiniBooNe на уровне достоверности 90%. Показаны также области, исключенные на уровне достоверности 90% коллаборациями KARMEN2 и NOMAD

В эксперименте Daya Bay задействованы восемь детекторов для регистрации с высокой точностью процесса «исчезновения» электронных реакторных антинейтрино, или, другими словами, их превращения в нейтрино других типов. Аналогичную задачу решает и эксперимент MINOS+, который изучает исчезновение мюонных нейтрино, порождаемых ускорителем в Фермилабе и направляемых к подземному детектору, расположенному в 735 км от источника в Северной Миннесоте.

«Ставки высоки. Интерпретация очень заманчивая. Если бы она нашла подтверждение, это вызвало бы революцию в физике. Стерильные нейтрино оказались бы первыми частицами, найденными за рамками Стандартной модели — наиболее точной современной теории, описывающей все известные элементарные частицы и их взаимодействия. Они также могли бы стать частицами-кандидатами на роль темной материи, что оказало бы серьезное влияние на развитие космологии», поясняет участник эксперимента Daya Bay д.ф.-м.н Д. В. Наумов, заместитель директора ЛЯП ОИЯИ.

«Тесное сотрудничество ученых из MINOS+ и Daya Bay позволило объединить два признанных дополняющих друг друга ограничения на превращения мюонных нейтрино и электронных антинейтрино в стерильные нейтрино», рассказал Александр Соза (Alexandre Sousa), доцент кафедры физики Университета Цинциннати и ученый из MINOS+, принимавший участие в экспертном анализе. Исчезновение обеих частиц произойдет в том случае, если электронное (анти)нейтрино появится в пучке из источника мюонных (анти)нейтрино в результате осцилляций с одним стерильным нейтрино. «Поэтому объединение результатов представляется самым надежным способом проверки имеющихся на сегодняшний день указаний на стерильные нейтрино».

По словам научного сотрудника ЛЯП к.ф.-м.н. М. О. Гончара, заместителя руководителя проекта Daya Bay, точность измерений исчезновений нейтрино в экспериментах Daya Bay и MINOS+ настолько высока, что они по существу исключают возможность объяснения наблюдаемой аномалии в экспериментах LSND, MiniBooNE и других в области расщепления масс 10^-4 eV² ≲ Δm²₄₁ ≲ 10⁰ eV² одним лишь только существованием осцилляций стерильных нейтрино.

«Мы все были бы чрезвычайно рады найти подтверждение существования стерильных нейтрино, но собранные на сегодняшний день данные не предоставляют никаких достоверных сведений о наличии какого-либо нового типа осцилляций с участием этих экзотических частиц», отмечает участник эксперимента Daya Bay Педро Очоа-Рику (Pedro Ochoa-Ricoux), доцент кафедры физики и астрономии в Калифорнийском университете в Ирвайне.

Экспертная группа Daya Bay/MINOS+ не только провела тщательный анализ и исключила существование особого вида осцилляций в стерильные нейтрино, обычно используемых для объяснения аномальных результатов, но и предприняла попытку поиска с самой высокой на сегодняшний день чувствительностью других сигнатур стерильных нейтрино, установив самые строгие ограничения на существование этих неуловимых частиц.

«В обоих экспериментах используются несколько детекторов с хорошо известными характеристиками и уже набрано беспрецедентно большое количество событий. Требования согласованности между наборами данных этих двух экспериментов обеспечивают серьезную проверку существования стерильных нейтрино», заявили Дженни Томас (Jenny Thomas), руководитель эксперимента MINOS+, профессор Университетского колледжа в Лондоне, и Кэрол Ланг (Karol Lang), профессор Техасского университета в Остине.

«Совместные усилия чрезвычайно эффективны в поиске ответов на фундаментальные вопросы физики», совместно заявили Кам-Бью Люк (Kam-Biu Luk), представитель эксперимента Daya Bay, ученый Национальной лаборатории имени Лоуренса Беркли, а также Калифорнийского университета в Беркли, и Цзюнь Цао (Jun Cao) из Института физики высоких энергий в Пекине. «И, хотя все еще остается вероятность, что где-то там, в полумраке, притаилось стерильное нейтрино, мы существенно сократили ту область, где оно могло бы прятаться».

ЛЯП ОИЯИ по материалам коллабораций MINOS+ и Daya Bay