Международная команда физиков, включающая исследователей из Университета Рутгерса, после десятилетних наблюдений и анализа данных, опровергла давнюю гипотезу о существовании таинственной частицы.
Результаты исследования были опубликованы в престижном журнале Nature. Они получены в ходе эксперимента MicroBooNE, проводимого в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) Министерства энергетики США, расположенной в Батавии, штат Иллинойс. Название MicroBooNE расшифровывается как «Micro Booster Neutrino Experiment».
Для своих исследований коллаборация MicroBooNE использовала крупный детектор на жидком аргоне и данные от двух независимых пучков нейтрино. Тщательно отслеживая поведение этих частиц, учёные смогли с 95%-й уверенностью исключить существование одного типа стерильного нейтрино.
Эндрю Мастбаум, доцент кафедры физики и астрономии в Школе искусств и наук Университета Рутгерса и член руководящей группы MicroBooNE, назвал это открытие значительным изменением для всей области нейтринной физики.
«Этот результат стимулирует новые идеи в исследованиях нейтрино, чтобы понять, что происходит на самом деле», — прокомментировал Мастбаум. Он добавил, что учёные смогли исключить серьёзного «подозреваемого», но это ещё не означает полного раскрытия тайны.
Нейтрино – это чрезвычайно малые частицы, которые крайне редко взаимодействуют с материей. Они способны проходить сквозь целые планеты, не замедляясь. Согласно Стандартной модели – ведущей теории в физике элементарных частиц – существует три известных типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Эти частицы могут превращаться друг в друга в процессе, известном как осцилляции нейтрино.
Однако в более ранних экспериментах учёные наблюдали поведение нейтрино, которое не полностью соответствовало предсказаниям Стандартной модели. Для объяснения этих расхождений исследователи предположили существование четвёртого типа нейтрино, названного стерильным нейтрино. В отличие от известных типов, стерильное нейтрино не взаимодействовало бы с материей вовсе, за исключением гравитации, что делало бы его обнаружение чрезвычайно сложным.
Чтобы проверить эту гипотезу, команда MicroBooNE измеряла нейтрино, произведённые двумя различными пучками, и анализировала их изменения в процессе движения. После десяти лет сбора и интерпретации данных исследователи не обнаружили никаких доказательств в поддержку гипотезы стерильного нейтрино. Это фактически исключает одно из наиболее широко обсуждаемых объяснений необычного поведения нейтрино.
Мастбаум сыграл ключевую роль в аналитической работе эксперимента, будучи сокоординатором по инструментам и методам анализа. Его работа была сосредоточена на преобразовании необработанных сигналов детектора в значимые научные выводы. Ранее он также руководил усилиями по изучению «систематических неопределённостей» – потенциальных источников погрешностей в измерениях, как их называет команда.
Эти неопределённости включают в себя особенности взаимодействия нейтрино с атомными ядрами, точное количество нейтрино в пучке и реакцию самого детектора на прилетающие частицы. Точный учёт всех этих факторов критически важен для получения надёжных выводов из экспериментальных данных.
«Правильный учёт этих неопределённостей крайне важен, поскольку он позволяет учёным делать веские и надёжные заявления о том, что на самом деле показывают данные», — подчеркнул Мастбаум.
Свой вклад в проект внесли и аспиранты Университета Рутгерса. Панайотис Энглезос, докторант кафедры физики и астрономии Школы искусств и наук Университета Рутгерса, работал в команде по управлению данными MicroBooNE, помогая обрабатывать экспериментальные данные и создавать симуляции, поддерживающие анализ.
Кенг Лин, ещё один докторант той же кафедры, занимался проверкой потока нейтрино из пучка NuMI (Neutrinos from the Main Injector) Фермилаба, который был одним из двух источников нейтрино, использованных в исследовании. Совместные усилия всех участников помогли обеспечить точность и надёжность конечных результатов.
По словам Мастбаума, это открытие имеет большое значение, поскольку оно исключает одного из основных кандидатов на новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели. Хотя Стандартная модель весьма успешна, она не объясняет такие явления, как тёмная материя, тёмная энергия или гравитация. Учёные продолжают искать ключи, указывающие на существование физики за пределами этой модели, и исключение одной гипотезы помогает сузить круг поиска.
Учёные из Рутгерса также способствовали развитию методов измерения того, как нейтрино взаимодействуют в жидком аргоне. Эти усовершенствованные методы принесут пользу будущим проектам, включая глубоководный нейтринный эксперимент DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment).
«Благодаря тщательному моделированию и остроумным аналитическим подходам, команда MicroBooNE извлекла невероятный объём информации из этого детектора», — заявил Мастбаум. Он подчеркнул, что в экспериментах следующего поколения, таких как DUNE, учёные уже применяют эти методы для решения ещё более фундаментальных вопросов о природе материи и существовании Вселенной.
