Стерильные нейтрино – частицы, которых не должно быть

Учёные экспериментально доказали, что существуют так называемые стерильные нейтрино — таинственные частицы, которые проходят через вещество, вообще никак не взаимодействуя с ним.

Первые намёки на эти неуловимые частицы появились десятилетия назад. Но после нескольких лет упорных поисков, учёные так и не смогли подтвердить старые результаты, многие эксперименты противоречили им. Есть только два надёжных эксперимента, которые продемонстрировали существование стерильных нейтрино, даже когда другие экспериментаторы утверждали, что стерильных нейтрино не существует вообще.

Это означает, что во Вселенной происходит что-то странное, если даже самые передовые эксперименты человечества противоречат друг другу.

В середине 1990-х детектор нейтринного жидкого сцинтиллятора (LSND), провёл эксперимент в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико, и обнаружил свидетельство таинственной новой частицы: «стерильного нейтрино». Но этот результат не был воспроизведён; в других экспериментах не удалось найти никаких следов скрытой частицы.

Неуловимая частица, стерильный нейтрино, никак не взаимодействует с веществом, кроме как гравитационно, за счёт своей массы. Однако обычные нейтрино могут превращаться в стерильные (и наоборот). Только при дефиците обычных нейтрино можно обнаружить стерильные нейтрино.

MiniBooNE провёл следующий эксперимент в Национальной лаборатории ускорителей Ферми (Fermilab), расположенной недалеко от Чикаго; и снова был получен след скрытой частицы.

Результат IceCube был экспериментом на исчезновение, а эксперименты LSND и MiniBooNE были экспериментами на появление. Это всё-таки немного разные вещи.

Если новые результаты MiniBooNE будут подтверждены, то «это будет огромным прорывом, выходящим за рамки стандартной модели. Это будет совершенно новая аналитическая структура», — сказала Кейт Шельберг, физик из Университета Дьюка.

«Было бы здорово, если бы стерильные нейтрино существовали. Это была бы «новейшая» физика. Масса нейтрино и нейтринные осцилляции — это уже «новая» физика, а лёгкие стерильные нейтрино — это «новая» физика в квадрате. Они дадут пищу для построения новых теорий, так как для существования лёгких стерильных нейтрино нет теоретического объяснения», — сказал Юрий Куденко, завотделом физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН.

Стандартная модель физики доминировала в понимании учёных о Вселенной более полувека. Есть список частиц, которые вместе дают объяснение тому, как материя и энергия взаимодействуют в космосе. Кварки и электроны, довольно легко представить себе: они являются строительными блоками атомов, которые составляют всё, к чему мы прикасаемся руками. Другие же частицы более абстрактны: это частицы высокой энергии, которые текут через вселенную, едва взаимодействуя с другим веществом. Миллионы нейтрино от солнца проходят через кончик вашего пальца каждую секунду, но они, в подавляющем большинстве, не оказывают какого-либо влияния на наше тело.

Электроны, мюоны и тау-нейтрино — три известных «аромата», которые слабо взаимодействуют с веществом, через гравитацию (одну из четырёх фундаментальных сил Вселенной).
Их антиматерии как близнецы. Это означает, что специализированные детекторы могут найти их, исходящими от солнца или от ядерной реакции (основа радиоактивных распадов). Эксперимент LSND представил первое доказательство того, что люди, возможно, не имеют полной картины мира.

По мере того, как волны нейтрино текут через пространство, они периодически «колеблются», перескакивая между ароматами, от одного к другому. Оба эксперимента, LSND и MiniBooNE, включают пусковые пучки нейтрино на детектор, скрытый за изолятором, для блокировки всего другого излучения. В случае LSND изолятором была вода, а для MiniBooNE — бочка с маслом. И они тщательно подсчитывают, сколько нейтрино каждого типа ударяет в детектор.

Для детектирования можно использовать резервуары со сверхчистой водой; они способны по слабым вспышкам света, обнаруживать нейтрино. Подобный детектор функционирует в Японии (Super-Kamiokande). Аналогично, вода озера Байкал является образцовым детектором для глубоководного нейтринного телескопа. Детектор от IceCube находится в Антарктиде; вместо воды он использует лёд.

Оба эксперимента говорят о том, что нейтрино осциллируют в скрытые, более тяжёлые, «стерильные» нейтрино. Детектор не может обнаружить их непосредственно, прежде чем им предстоит осциллировать обратно в обнаруживаемую область.

Если, например, за бозоном Хиггса, существование которого было предсказано Стандартной моделью, велась целенаправленная охота, то у теоретиков стерильных нейтрино малой массы не было никаких предсказаний изначально.

Результат MiniBooNE имел не стандартное отклонение, измеренное на уровне 4,8 сигма — весьма застенчивый результат, когда физики ищут 5,0. (Результат 5-сигмы имеет коэффициенты 1 в 3,5 миллиона из-за случайных флуктуаций в данных. Исследователи писали, что MiniBooNE и LSND вместе представляют собой результат 6.1-сигмы (что означает более чем один случай на 500 миллионов — шанс невероятно мал). Вот потому некоторые исследователи скептически высказались по поводу стерильного нейтрино: «Это та частица, которой не должно быть».