После многолетних исследований ученые, работающие в рамках эксперимента MicroBooNE, пришли к выводу, что гипотетическая частица, известная как стерильный нейтрино, не существует. Этот результат, опубликованный в журнале Nature, ставит точку в многолетних спорах и значительно сужает круг возможных объяснений одной из самых устойчивых загадок в физике элементарных частиц.
Загадка нейтрино уходит корнями в Стандартную модель – общепринятую теорию, описывающую фундаментальные частицы и силы, формирующие Вселенную. Несмотря на свою успешность, она неполна и не может объяснить такие явления, как темная материя или гравитация. Нейтрино – одна из таких лакун. Изначально предполагалось, что эти частицы не имеют массы, однако в конце XX века эксперименты показали, что нейтрино способны «осциллировать», то есть превращаться из одного типа (аромата) в другой – электронный, мюонный или тау-нейтрино. Как объясняют физики, такой процесс возможен только в том случае, если у нейтрино есть масса, что прямо противоречило предсказаниям Стандартной модели.
Тайна усугубилась в 1990-х годах, когда эксперименты LSND и MiniBooNE зафиксировали аномалию: мюонные нейтрино превращались в электронные чаще, чем предсказывала теория трех нейтрино. Самым популярным объяснением на протяжении десятилетий стала гипотеза о существовании четвертого, «стерильного» нейтрино. В отличие от своих известных «собратьев», эта частица не должна была взаимодействовать с веществом посредством слабого взаимодействия, что делало ее практически невидимой для детекторов.
Чтобы проверить эту гипотезу, в Фермилабе был построен эксперимент MicroBooNE – высокоточный детектор, способный фиксировать взаимодействия нейтрино с беспрецедентной детализацией. С 2015 по 2021 год установка регистрировала частицы, летящие из пучка, состоящего в основном из мюонных нейтрино. Идея заключалась в том, чтобы найти избыток электронных нейтрино, который бы указывал на их появление в результате осцилляции с участием стерильных нейтрино. В качестве «глаз» эксперимента выступала время-проекционная камера, заполненная жидким аргоном, позволяющая с высокой точностью восстанавливать треки частиц.
Однако анализ данных не выявил никакого избытка. Количество зарегистрированных электронных нейтрино полностью соответствовало предсказаниям модели, включающей только три известных типа нейтрино. Таким образом, ученые пришли к однозначному выводу: данные MicroBooNE не подтверждают существование стерильного нейтрино, что фактически исключает его как причину наблюдавшихся ранее аномалий.
Хотя гипотеза о стерильном нейтрино закрыта, первоначальные загадки, обнаруженные в экспериментах LSND и MiniBooNE, все еще требуют объяснения. По словам ученых, это своего рода «смена парадигмы». Теперь исследователи могут сосредоточиться на поиске новых, возможно, более экзотических идей, которые могли бы пролить свет не только на поведение нейтрино, но и на природу темной материи. В качестве одной из альтернатив рассматривается вероятность того, что в предыдущих экспериментах за нейтрино ошибочно принимали другие частицы, например, фотоны.
Результаты MicroBooNE открывают дорогу для следующего поколения исследований. Уже сейчас полным ходом идет строительство гигантского детектора DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), который будет расположен на глубине полутора километров в Южной Дакоте. Установка размером с футбольное поле будет принимать пучок нейтрино, отправленный сквозь толщу Земли из Фермилаба, расположенного в 1300 километрах. Опыт, полученный на MicroBooNE в области технологий и анализа данных, имеет решающее значение для успеха этого амбициозного проекта, который, как надеются физики, поможет ответить на фундаментальные вопросы о массе нейтрино и асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
