Сообщения об отсутствии так называемых «стерильных» нейтрино преждевременны, говорят ученые из Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, даже несмотря на то, что они публикуют результаты двух экспериментов, которые еще больше ограничивают возможности этого неуловимого частица может скрываться. Эти результаты описаны в трех статьях, опубликованных в журнале Physical Review Letters (PRL) учеными, работающими над экспериментом Daya Bay Neutrino Experiment в Китае и поиском осцилляции главного инжектора (MINOS) в Национальной ускорительной лаборатории Ферми. известный как IceCube - сильно сужает «фазовое пространство», в котором должны охотиться ученые.
Вне зависимости от того, смотрите ли вы на новые результаты как на «прицеливание» на неуловимые частицы или в значительной степени исключающие их существование, ученые говорят, что поиск стерильных нейтрино будет и должен продолжаться.
«Нахождение истинных доказательств существования стерильных нейтрино коренным образом изменит наше понимание Вселенной», - сказал физик из Брукхейвена Синь Цянь, один из охотников за нейтрино. Эти легкие, электрически нейтральные частицы могут быть компонентами таинственного «темного мира», включая темную материю, которая, как известно физикам, составляет около четверти Вселенной, но никогда не была обнаружена напрямую.
«Во время Большого взрыва в самом начале Вселенной часть энергии превратилась в частицы, которые до сих пор оказались полностью невидимыми», - объяснил Милинд Диван, другой физик-нейтрино из Брукхейвена. «То, что существует такая темная материя, которую невозможно обнаружить, - это установленный факт. Из чего он состоит - большая загадка. Каждый раз, когда мы находим намек на новую нейтральную частицу, которая могла бы объяснить эту недостающую энергию, или новый метод поиска, он открывает нам окно во вселенную, которую мы должны исследовать».
Даже процесс выяснения того, как искать неуловимую, необнаружимую частицу - что измерять и как просеивать данные - стоит того, говорят ученые, потому что он пробуждает творческий потенциал и эволюцию научного мышления в неожиданные способы.
«Все эти анализы являются побочными результатами основных исследовательских программ в ходе экспериментов, когда ученые поняли, что у них есть возможность взглянуть на данные по-новому и интересно», - сказал Диван. «Таким образом, эти программы создают группу молодых исследователей, которые понимают, как тщательно анализировать данные и результаты вопросов, и они станут лидерами с теми навыками, которые нам нужны в науке».
Ученые Брукхейвенской лаборатории играют важную роль как в Daya Bay, так и в MINOS, и они были необходимы для понимания того, как данные, собранные для основных исследовательских целей экспериментов, могут быть использованы для поиска «сигнатур» стерильных нейтрино. Например, Цянь из Брукхейвена руководил разработкой статистических методов для объединения результатов этих экспериментов, работая с группой постдокторантов и аспирантов - примерно половина из Дайя Бэй, а половина из MINOS..
«Потребовались некоторые усилия, чтобы определить, какой статистический метод использовать, - сказал Вэй Тан, один из постдоков Брукхейвена. «Работа в двух коллаборациях с очень разными культурами - хороший пример того, как делается эта работа - как наука объединяет людей», - сказал он.
Дырки и подсказки
И MINOS, и Daya Bay предназначены для изучения нейтрино, крошечных субатомных частиц, которые не несут электрического заряда и путешествуют на огромные расстояния, ни с чем не взаимодействуя. Стандартная модель физики элементарных частиц - список известных частиц и сил, с помощью которых они взаимодействуют, - описывает три известных «аромата» нейтрино (электрон, мюон и тау), названных в честь их связи с заряженными частицами с такими именами.
Но в Стандартной модели также говорится, что нейтрино не имеют массы – идея, недавно опровергнутая экспериментами, подтверждающими способность этих частиц менять идентичность среди трех ароматов. Эти изменяющие аромат «колебания» возможны только в том случае, если нейтрино существуют в разных массовых состояниях - на самом деле, смесь разных масс для каждого известного аромата. Таким образом, обнаружение осцилляций нейтрино, за которое было присуждено Нобелевскую премию по физике 2015 года, является доказательством того, что нейтрино действительно имеют массу, что указывает по крайней мере на одну дыру в Стандартной модели.
«Тот факт, что нейтрино имеют массу, является сильным намеком на то, что мы можем обнаружить другие вещи, которые мы не знаем об этих частицах», - сказал Цянь. «Это было бы потрясением, если бы четвертый тип, стерильные нейтрино, действительно существовал».
Поиск стерильных нейтрино также мотивирован теоретическими идеями и намеками из более раннего эксперимента в Лос-Аламосской национальной лаборатории, в котором, возможно, наблюдался новый тип нейтринных осцилляций, приблизительно описываемый как двухшаговый сдвиг, который трансформирует существующий мюон нейтрино в нейтрино четвертого, необнаружимого (а.к.а. «стерильный») вкус, которые затем снова колеблются, становясь электронными нейтрино. Команда из Лос-Аламоса измерила скорость предлагаемого двухэтапного преобразования с помощью необнаружимого промежуточного аромата.
Новые результаты MINOS и Daya Bay проверяют это наблюдение, измеряя скорость отдельных шагов. Умножение скорости, измеренной для каждого из двух отдельных шагов, которые включают предполагаемое стерильное нейтрино, должно равняться скорости, измеренной командой Лос-Аламоса, если стерильное нейтрино действительно существует.
Предупреждение: здесь все немного сложнее
На первом этапе - преобразовании мюонных нейтрино в предполагаемые стерильные - мы говорим об измерении преобразования частицы, которую ученые могут создать и обнаружить, в частицу, которую они никак не могут «увидеть». Поэтому вместо того, чтобы пытаться измерить что-то необнаружимое, они ищут скорость, с которой мюонные нейтрино исчезают, не превращаясь ни в один из двух других известных типов. Эта работа была проделана в рамках эксперимента MINOS, в ходе которого создается пучок мюонных нейтрино для измерения их колебаний в других ароматах.
Чтобы заняться вторым этапом - преобразованием необнаруживаемой частицы в обнаруживаемую - перед учеными стояла еще более сложная задача.
"Мы не можем создать пучок необнаруживаемых стерильных нейтрино - в конце концов, мы даже не знаем, существуют ли они!", - сказал Диван.
Вместо этого они пользуются одним из основных законов Природы, а именно, что скорость этого процесса должна быть одинаковой независимо от того, идет ли он вперед или назад, и измеряют скорость обратного процесса. Они используют пучок электронных нейтрино (фактически электронных антинейтрино, которые для целей этого эксперимента одинаковы) и измеряют скорость их исчезновения, исключая или учитывая те, которые превращаются в один из двух других известных типов.
Электронные антинейтрино генерируются в активной зоне ядерных реакторов - в данном случае это набор из шести, которые являются частью эксперимента Daya Bay Neutrino Experiment в Китае. Детекторы на разном расстоянии от реакторов улавливают сигналы, которые позволяют ученым рассчитать частоту колебаний.
В статьях, опубликованных в PRL, одна из коллаборации Daya Bay, одна из MINOS, а третья представляет комбинированный анализ результатов Daya Bay и MINOS, а также повторный анализ результатов Bugey, более старого эксперимента в Франция - главный вывод - бухгалтерия не работает. Умножение скоростей двух отдельных реакций не соответствовало данным Лос-Аламоса. Перекрывающиеся графики результатов различных анализов выявили лишь небольшие оставшиеся «области параметров», где стерильные нейтрино все еще могли «прятаться».
IceCube, эксперимент, который измеряет колебания нейтрино из атмосферы с помощью детектора глубоко подо льдом Антарктиды, также недавно сообщил о новых результатах. Его поиски исчезновения мюонных нейтрино с предполагаемым стерильным ароматом также оказались безрезультатными, поскольку стерильных нейтрино не было обнаружено.
Следующий рубеж
Будущие эксперименты в Фермилабе будут продолжать поиск в оставшихся каналах.
Но даже если они не найдут неуловимых частиц, поиск, конкуренция и сотрудничество между учеными из разных экспериментов и из разных стран откроют новые возможности. Эти команды создают технологии - детекторы, инфраструктуру данных и инструменты анализа, - необходимые для экспериментов следующего поколения, в том числе Deep Underground Neutrino Experiment, который будет проводиться в Фермилабе при широком международном участии.
«Физика массы нейтрино и физика Вселенной - ее формирование и структура - тесно связаны», - сказал Диван. «Открытия последних нескольких десятилетий показали, что Вселенная заполнена электрически нейтральным невидимым веществом, включая нейтрино, которые могут иметь неизвестные и богатые взаимодействия. Раскрытие таинственных свойств нейтрино оказывается одним из немногих возможных окон в этот темный мир».