Дослідники експерименту Фермілаб MicroBooNE не побачили жодних слідів стерильних нейтрино — теоретичного виду нейтрино, який жодним чином не взаємодіє з речовиною. Колаборація відзвітувала за перші три роки роботи детектора, який за цей час не зміг знайти вихід за межі Стандартної моделі у нейтринних осциляціях.
Фотопомножувачі всередині детектора. Reidar Hahn / Fermilab
Що таке нейтрино?
Експеримент дослідницького центру Фермілаб MicroBooNE є одним з багатьох експериментів, які шукають те, що один з батьків квантової механіки Вольфганг Паулі називав «крайнім засобом» («desperate remedy»). Так Паулі охрестив нейтрино — електрично нейтральні легкі частинки з половинним спином, які забирають із собою залишок втраченої ядром енергії під час бета-розпаду. Це пояснило проблеми із законом збереження енергії у радіоактивних розпадах.
Паулі до них так поставився, оскільки вважав, що нам не судилося їх ніколи зафіксувати. Проте, з 1930 року фізика елементарних частинок пройшла довгий шлях, і сьогодні експериментатори щодня виявляють нейтрино. У рамках нейтринної моделі, кожному лептону – складовій матерії – належить по одному нейтральному компаньйону, яких назвали нейтрино. Тож разом з кварками матерію складають електрони, мюони і тау-лептони, що відрізняються лише масою, та їхні нейтрально заряджені відповідники електронне, мюонне і тау нейтрино.
Стандартна модель елементарних частинок. Lndeo / Wikimedia Commons, 2021
Які нейтрино шукали фізики?
Втім, як це часто трапляється з елементарними частинками, теорія не зійшлася з експериментами. Так спостереження за потоками нейтрино від Сонця і космічних променів показали, що електронних і мюонних нейтрино у них набагато менше, ніж вимагає Стандартна модель. Так з'явився механізм нейтринних осциляцій, яким фізики описали перетворення нейтрино різних типів один на одного, а 2015 року отримали за це Нобелівську премію.
Нейтрино виробляються багатьма джерелами, включаючи Сонце, атмосферу, ядерні реактори та прискорювачі частинок. І оскільки їхні перетворення один на одного носять імовірнісний характер, завдяки відкриттю нейтринних осциляцій, фізики змогли передбачати, скільки нейтрино певного типу вони можуть побачити, вимірюючи їх на різних відстанях від джерела. Точніше, могли до того, як не отримали результатів американського експерименту LSND.
У його рамках вчені вивчали пучки мюонних антинейтрино, щоб побачити, скільки з них осцилюють в інший тип на короткій відстані. І різниця їхніх мас вийшла за межі передбаченої Стандартною моделлю. Так з'явилася концепція так званого стерильного нейтрино — частинки, яка не бере участі навіть у слабких взаємодіях, а виявляє себе виключно через осциляцію з вже відомими нам нейтрино. Власне на його пошуки і спрямований експеримент у Національній дослідницькій лабораторії імені Енріко Фермі (Фермілаб) під назвою MicroBooNE, і нам, нарешті, вдалося отримати результати перших трьох років його роботи.
Що побачив експеримент?
Стерильні нейтрино одержали свою назву через те, що на відміну від трьох інших типів, вони взаємодіятимуть лише через гравітацію, а не через інші фундаментальні сили. Але оскільки таке нейтрино може вплинути на спосіб осциляції інших, це і буде своєрідним підписом, за яким його дізнаються вчені. MicroBooNE – це 170-тонний детектор нейтрино, запущений у 2015 році. Він шукатиме ці підписи по тому, як електронні та мюонні нейтрино взаємодіють із молекулами 170 тонн чистого рідкого аргону. Народжувані внаслідок цього електрони впізнаються за створюваним ними світлом, а відрізнити вид нейтрино можна буде за енергетичними характеристиками.
Отримані зображення показують докладні траєкторії частинок і, що особливо важливо, дозволяють відрізнити електрони від фотонів. Поки що у нас є аналіз даних всього половини циклу його роботи – трьох років. Проте вже зараз у них немає жодних слідів стерильних нейтрино. Команда дослідників вважає, що навіть якщо й у другій половині даних не вдасться знайти потрібну частинку, детектор допоможе у дослідженнях, наприклад, темної матерії чи ще екзотичніших частинок — аксіонів.