Международная команда исследователей, работающих над экспериментом MicroBooNE, после многолетнего тщательного анализа пришла к важному выводу: гипотетическая частица, известная как стерильное нейтрино, не существует. Этот результат, опубликованный в журнале Nature, закрывает одно из самых популярных направлений в поисках объяснения загадочного поведения нейтрино — одних из самых распространённых, но крайне неуловимых элементарных частиц во Вселенной.
Нейтрино представляют собой одну из нерешённых проблем в рамках Стандартной модели физики, которая, хотя и прекрасно описывает многие явления, не может объяснить природу тёмной материи, тёмной энергии или наличие массы у нейтрино. Именно странности в поведении нейтрино, наблюдавшиеся в течение десятилетий, заставили учёных предположить существование четвёртого, «стерильного» типа нейтрино, который почти не взаимодействует с обычной материей.
Гипотеза о стерильном нейтрино стала главным кандидатом на объяснение аномалий, впервые замеченных в 1990-х годах в экспериментах LSND и позже MiniBooNE. В этих опытах мюонные нейтрино превращались в электронные нейтрино необъяснимым с точки зрения известной физики образом. На протяжении 30 лет стерильное нейтрино оставалось наиболее вероятным, хотя и недоказанным, объяснением этих странных результатов.
Чтобы проверить эту идею, в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Фермилаб) был построен детектор MicroBooNE. С 2015 по 2021 год он с беспрецедентной точностью регистрировал взаимодействия нейтрино в камере с жидким аргоном. Эта технология использует жидкий аргон в качестве мишени: при взаимодействии с нейтрино он производит заряженные частицы, которые создают чёткие сигналы. Это позволяет получать трёхмерные изображения событий с высоким разрешением, точно различать типы частиц и значительно снижать фоновый шум. Учёные сравнили количество обнаруженных электронных нейтрино с прогнозами моделей, включающих и не включающих стерильное нейтрино. Данные однозначно соответствовали сценарию Вселенной без этой гипотетической частицы.
Хотя основное объяснение аномалий теперь отброшено, сами странные явления, наблюдавшиеся ранее, по-прежнему требуют объяснения. Учёные называют это сдвигом парадигмы: теперь они вынуждены исследовать более широкий спектр идей. Помимо стерильного нейтрино, в фокусе внимания оказались гипотезы нестандартных взаимодействий нейтрино, осцилляции в дополнительные квантовые состояния, возможное влияние тёмной материи, а также тщательная проверка на систематические погрешности в экспериментах или неизвестные свойства обычных нейтрино. Этот поиск может пролить свет не только на поведение нейтрино, но и на другие фундаментальные загадки, такие как природа тёмной материи. Опыт и технологии, отработанные в MicroBooNE, стали бесценным инструментом для этого поиска.
Следующим гигантским шагом в нейтринной физике станет эксперимент DUNE (Глубокий подземный нейтринный эксперимент). Это будет самый большой в мире детектор нейтрино, построенный на глубине в милю в Южной Дакоте. Он будет принимать интенсивный пучок нейтрино, отправленный из Фермилаба за 800 миль. Опыт, уверенность и методики анализа данных, полученные в MicroBooNE, являются критически важной основой для успеха DUNE, который попытается ответить на вопросы о фундаментальной асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
Источник: Physicists thought this mystery particle could explain everything. See what happened