Неуловимое нейтрино

IceCube не нашел стерильных нейтрино, однако история на этом не заканчивается

Нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде. Фото: Felipe Pedreros, IceCube/NSF

Физики, работающие с данными детектора IceCube, недавно опубликовали статью, в которой с уверенностью в 99% заявили, что стерильных нейтрино не существует. Какие именно частицы искал детектор и значит ли это, что их действительно нет, «Чердаку» рассказал завотделом физики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Юрий Куденко.

Нейтрино — элементарная частица, которая отвечает за слабое взаимодействие, лежащее в основе радиоактивных распадов. Хотя поток этих частиц постоянно пронизывает Землю, обнаружить нейтрино крайне сложно: они почти не взаимодействуют с веществом, через которое проходят. Для их детектирования можно, например, использовать огромные резервуары со сверхчистой водой и детекторами, способными зарегистрировать слабые вспышки света, которые происходят, когда нейтрино изредка взаимодействуют с молекулами воды. Такой детектор Super-Kamiokande функционирует в Японии. Чистая вода озера Байкал является нейтринной мишенью в другом глубоководном нейтринном телескопе. В детекторе IceCube, который находится в Антарктиде, вместо воды используется лед.

Художественное изображение детекторов IceCube
Художественное изображение детекторов IceCube. Иллюстрация: Jamie Yang, IceCube Collaboration


Гипотетические стерильные нейтрино — частица еще менее уловимая. Они никак не взаимодействуют с веществом, кроме как гравитационно, за счет своей массы. Однако они могут превращаться в обычные нейтрино, а обычные нейтрино могут превращаться в стерильные. Только поэтому стерильные нейтрино и можно обнаружить.

Задачей IceCube было зарегистрировать дефицит обычных нейтрино, которые перешли в стерильные, если таковые существуют. Детектор искал стерильные нейтрино маленькой массы — порядка одного электронвольта. Однако когда физики проанализировали данные IceCube за год — за это время в поле зрения детектора попали около ста тысяч нейтрино, никаких указаний на существование частиц не нашли.

Почему ученые решили, что они существуют?

В отличие, например, от бозона Хиггса, существование которого было предсказано Стандартной моделью и за которым велась целенаправленная охота, у теоретиков не было никаких предсказаний насчет стерильных нейтрино малой массы. Однако намеки на их существование появились сначала в 1995 году в данных детектора LSND Лос-Аламосской национальной лаборатории, десятком лет позже на детекторе MiniBooNE в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми, а также при анализе нейтринных потоков от реакторов и при измерениях с помощью искусственных источников нейтрино в экспериментах SAGE на Баксане и GALLEX в Гран-Сассо, в Италии.

«Было бы здорово, если бы они были. Это была бы «очень новая» физика за пределами «новой» физики. Масса нейтрино и нейтринные осцилляции — это уже «новая» физика, выходящая за рамки Стандартной модели. А легкие стерильные нейтрино — это «новая» физика в квадрате. Они дали бы много пищи для построения теорий, так как у существования легких стерильных нейтрино нет теоретического объяснения», — сказал Куденко.

И хотя теперь IceCube опроверг результаты и LSND, и MiniBooNE, ученый полагает, что окончательно с легкими стерильными нейтрино прощаться пока рано. «IceCube — это эксперимент на исчезновение, а эксперименты LSND и MiniBooNE — это эксперименты на появление, на регистрацию «лишних» электронных нейтрино, появившихся из-за присутствия стерильных нейтрино. Это все-таки немного разные вещи. Я бы сказал, что это серьезный удар по идее стерильных нейтрино, но все же полностью их существование он не исключает», — пояснил Куденко.

Тяжелые стерильные нейтрино

Более того, кроме легких физики предполагают существование и тяжелых стерильных нейтрино массой в кило-, мега- и даже гигаэлектровольт. И в этом случае теория дает более серьезные основания для экспериментальных исследований.

«Ряд моделей предсказывает существование тяжелых стерильных нейтрино. Им удается объяснить введением этих нейтрино многие явления. Например, есть так называемая нейтринная стандартная модель, предложенная Михаилом Шапошниковым, который долгое время работал в нашем институте. В этой модели вводятся три нейтрино: одно полегче, несколько килоэлектронвольт, и два потяжелее, массы которых могут достигать сотен мегаэлектронвольт и больше. Эта модель позволяет объяснить темную материю, массу нейтрино и барионную асимметрию Вселенной. Эта модель сейчас серьезно тестируется, насколько это возможно в современных ускорительных экспериментах, хотя пока указаний на ее подтверждение нет», — рассказал ученый.
Теги:

Читать еще на Чердаке: