Международная команда физиков, включая исследователей из Университета Рутгерса, объявила о важном открытии, которое меняет представления о фундаментальных частицах. После десяти лет работы в эксперименте MicroBooNE на ускорителе Фермилаб в США учёные с высокой уверенностью опровергли популярную гипотезу о существовании так называемого стерильного нейтрино. Результаты, опубликованные в журнале Nature, знаменуют собой значительный сдвиг в области физики элементарных частиц и открывают новые пути для поисков.
Нейтрино — это одни из самых загадочных и распространённых частиц во Вселенной. Они крайне слабо взаимодействуют с веществом, свободно проходя сквозь планеты. Согласно Стандартной модели физики, существуют три известных типа нейтрино: электронное, мюонное и тау. Однако предыдущие эксперименты фиксировали аномалии в их поведении, такие как дефицит электронных нейтрино в реакторных экспериментах на коротких расстояниях и несоответствия в данных опытов LSND и MiniBooNE, которые указывали на возможные дополнительные типы осцилляций, не объяснимые стандартной трёхнейтринной моделью. Именно эти наблюдения навели учёных на мысль о возможном существовании четвёртого, "стерильного" типа.
В отличие от обычных нейтрино, стерильное нейтрино гипотетически не взаимодействовало бы с материей вовсе, кроме как через гравитацию, что делало бы его обнаружение невероятно сложным. Чтобы проверить эту идею, команда MicroBooNE в течение десяти лет тщательно измеряла, как нейтрино из двух разных пучков меняют свой тип во время движения. Анализ огромного массива данных не выявил никаких свидетельств в пользу существования стерильного нейтрино, что закрывает одну из самых обсуждаемых теорий, объясняющих странное поведение этих частиц.
Ключевую роль в анализе сыграли учёные из Рутгерса. Профессор Эндрю Мастбаум, член руководства эксперимента, координировал разработку инструментов для преобразования сырых сигналов детектора в научные выводы и оценку систематических погрешностей. Значительный вклад внесли и аспиранты университета: Панайотис Энглезос занимался обработкой данных и моделированием, а Кенг Лин проверял точность пучка нейтрино, использовавшегося в эксперименте.
Это открытие имеет большое значение, поскольку устраняет одного из главных кандидатов на "новую физику" за пределами Стандартной модели. Эта модель, хотя и очень успешная, не может объяснить такие явления, как тёмная материя или природа гравитации. Исключив гипотезу о стерильном нейтрино, исследователи сужают поле для поиска и могут сосредоточиться на других возможных объяснениях фундаментальных загадок мироздания.
Методы и технологии, разработанные и усовершенствованные в ходе эксперимента MicroBooNE, особенно в области измерения взаимодействий нейтрино с жидким аргоном, станут основой для будущих проектов. Ключевые преимущества жидкого аргона как детекторной среды включают высокую плотность, позволяющую создавать компактные детекторы большой массы, отличную светимость для точной реконструкции событий, а также высокую разрешающую способность для чёткого различения типов взаимодействий, например, электронных и мюонных нейтрино, благодаря детальной визуализации треков частиц. Следующее поколение экспериментов, такое как Глубокий подземный нейтринный эксперимент (DUNE), уже использует эти наработки. Как отметил Мастбаум, команда MicroBooNE извлекла невероятный объём информации из своего детектора, и теперь учёные готовы задаваться ещё более фундаментальными вопросами о природе материи и Вселенной.
Источник: Scientists spent 10 years chasing a particle that wasn’t there