Охота за стерильными нейтрино может раскрыть глубокие космические тайны

Нейтрино, пожалуй, самый интересный обитатель субатомного мира. Почти безмассовая, эта фундаментальная частица испытывает лишь слабое ядерное взаимодействие и гораздо более слабую силу гравитации. Не имея ничего, кроме этих слабых связей с другими формами материи, нейтрино может пройти через всю Землю с лишь крошечной вероятностью столкновения с атомом. Призраки, которые, как говорят, способны проходить сквозь стены, не имеют ничего общего с нейтрино.

Фантомные свойства нейтрино — не единственное, что отличает их от других фундаментальных частиц. Они уникальны тем, что не имеют фиксированной идентичности. Три известные формы нейтрино способны превращаться друг в друга посредством циклического процесса, называемого нейтринные осцилляции. Они не только субатомные призраки, но и квантовые хамелеоны.

Хотя явление осцилляций нейтрино изучалось во многих экспериментах, данные не дают единой картины. Основываясь на данных некоторых экспериментов, некоторые учёные начали подозревать, что может существовать более трёх типов нейтрино. Эти гипотетические дополнительные типы нейтрино, в отличие от своих знакомых аналогов, даже не будут взаимодействовать через слабое ядерное взаимодействие и поэтому будут называться стерильный нейтрино.

Стерильные нейтрино не являются частью Стандартной модели — общепринятой теории материи и энергии в субатомном мире. Если эти дополнительные нейтрино существуют, они заставят физиков пересмотреть теорию и, возможно, существенно ее пересмотреть. Новый эксперимент, который вскоре должен начать измерения, возможно, сможет решить вопрос о том, видели ли предыдущие исследования стерильные нейтрино или нет.

Сбивающие с толку сигналы

Три известных типа нейтрино — это электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино, каждый из которых назван в честь заряженной частицы, которая образуется одновременно с ним. На ранних этапах нашего понимания физики нейтрино каждый из этих типов казался отличным от двух других. Однако ситуация стала еще более мрачной в 1960-х и 1970-х годах, когда эксперименты начали показывать загадочные результаты.

Электронные нейтрино производятся в ядерных реакциях, а самым большим ядерным реактором в мире является Солнце. Исследователи использовали энергию нашей родной звезды, чтобы подсчитать, сколько электронных нейтрино они ожидают прибыть сюда, на Землю. Однако измерения дали в три раза больше электронных нейтрино, чем предсказывалось. Кроме того, ожидалось, что каскад взаимодействий частиц, возникающих при попадании высокоэнергетических космических протонов в атмосферу нашей планеты, будет производить вдвое больше мюонных нейтрино, чем электронных. Тем не менее, эксперименты измеряли примерно равные количества.

В 1957 году физик Бруно Понтекорво сделал смелое предположение, что нейтрино могут колебаться, тем самым меняя свою идентичность. В период с 1998 по 2001 годы детекторы, изучавшие поток нейтрино как от Солнца, так и от атмосферы Земли, доказали, что на пути к нам нейтрино менялись на другие ароматы.

Еще до этих наблюдений исследователи использовали пучки частиц для изучения возможности нейтринных осцилляций. В одном эксперименте с использованием жидкостного сцинтилляционного детектора нейтрино (LSND) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса был получен образец почти чистых положительных мюонов. Когда мюоны распадались, они создавали мюонные нейтрино из антиматерии. Принимая во внимание постановку эксперимента, физики ожидали обнаружить электронные нейтрино из антивещества в количестве около 0,06 процента от количества мюонных нейтрино из антивещества. Вместо этого они определили, что нейтрино электрона-антиматерии составляют около 0,31 процента взаимодействий, что значительно превышает предсказания.

Ученые могут определить, какое именно нейтрино они обнаружили, изучая частицы, которые образуются при столкновении нейтрино с атомами. Когда нейтрино действительно сталкивается с атомом вещества, электронные нейтрино создают электрон, а мюонные нейтрино создают мюон. Тау-нейтрино реагируют аналогичным образом, но идентифицировать тау-частицы сложно.

Используя свои измерения (и другие, выполненные в других местах), ученые LSND в 2001 году пришли к выводу, что три варианта нейтрино не могут одновременно объяснить как их данные, так и массив измерений солнечных и атмосферных нейтрино, существовавший в то время. Однако если бы существовало четвертое, стерильное нейтрино, то эксперименты были бы последовательными. Единственная проблема заключалась в том, что другие нейтринные измерения на ускорителях не подтвердили идею существования четвертого нейтрино. Требовалось еще одно измерение.

Чтобы помочь разрешить это затруднительное положение, исследователи из Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) в Батавии, штат Иллинойс, построили МиниБуНЕ (Эксперимент «Мини-ускоритель нейтрино»). Идея заключалась в том, чтобы построить детектор, используя технологию, аналогичную LSND, но с другим источником частиц и расширенными возможностями детектора, чтобы посмотреть, смогут ли ученые прояснить ситуацию.

MiniBooNE собирал данные с 2002 по 2018 год. Публикация первых результатов в 2007 году исключила самое простое объяснение открытия LSND, хотя и выявила другой превышение. Когда учёные собрали больше данных и провели более сложный анализ, в 2018 году они пришли к выводу, что существует непреходящая загадка.

Однако другие эксперименты рассказывают другую историю. Отдельный проект Фермилаборатории под названием MINOS (Поиск нейтринных осцилляций главного инжектора) не обнаружил никаких доказательств существования стерильных нейтрино. Подобные доказательства не были обнаружены и Эксперимент IceCube в Антарктиде, где для изучения нейтрино из космоса используется кубический километр льда.

Ядерные реакторы являются еще одним источником электронных нейтрино, и исследователи также использовали их для поиска стерильных нейтрино. В 2011 году ученые сообщили о 6-процентном дефиците электронных нейтрино в реакторе в Китае по сравнению с тем, что они ожидали увидеть. Совсем недавно другие исследователи заявили, что более ранние расчеты были ошибочными и дефицита не существует.

Для дальнейшего изучения этих противоречивых расхождений исследователи из Fermilab в 2015 году начали проводить эксперимент под названием MicroBooNE. MicroBooNE, как и MiniBooNE до него, использовал нейтрино, генерируемые ускорителем Fermilab Booster, но на этом сходство заканчивалось. MicroBooNE был гораздо более сложным детектором, который позволял исследователям более детально определять взаимодействия нейтрино, что уменьшало экспериментальную неоднозначность. Физики надеялись, что улучшенные возможности окончательно прояснят, правильно ли детектор MiniBooNE идентифицировал события колебаний или был обманут подобным взаимодействием.

Однако измерения MicroBooNE не решили проблему. В ходе эксперимента были собраны данные с 2015 по 2021 год, и в октябре 2021 года исследователи поделились своим анализом информации за первые три года. Они не нашли никаких доказательств существования стерильных нейтрино.

Затем исследователи MicroBooNE изучили свои данные и попытались сопоставить их с более ранним результатом MiniBooNE. Ученые пришли к выводу, что, хотя они не смогли подтвердить результат MiniBooNE, возможности двух экспериментов различались настолько, что оба измерения могли отражать реальность. Настало время для окончательного исследования.

Окончательный ответ

Чтобы окончательно определить, существуют ли стерильные нейтрино, исследователи из Фермилаб сконструировали два новых детектора, которые, как они надеются, разрешат ситуацию раз и навсегда. Общий исследовательский проект называется «Программа нейтрино с короткой базой» (SBN). Название отражает тот факт, что два детектора будут разделены меньшим расстоянием, чем большинство экспериментов по осцилляциям нейтрино на ускорителе.

Эти детекторы расположены вдоль того же пучка нейтрино, который использовался как MiniBooNE, так и MicroBooNE. Как и в случае с MicroBooNE, в двух новых детекторах для обнаружения взаимодействий нейтрино используется жидкий аргон. Новый детектор, расположенный ближе всего к месту образования нейтрино, называется ближним детектором с короткой базой (SBND), а тот, который расположен дальше, называется Imaging Cosmic and Rare Underground Signals (ICARUS).

Базовый экспериментальный подход использует пучок, состоящий преимущественно из мюонных нейтрино, который создается с помощью ускорителя Fermilab Booster. Луч сразу пройдет через SBND, который определит точный состав его электронных и мюонных нейтрино. (Энергия луча будет достаточно низкой, чтобы тау-нейтрино невозможно было обнаружить.) Затем, примерно в 600 метрах от ракеты-носителя, луч пройдет через ИКАРУС. Исследователи сравнит состав нейтринного пучка на обоих детекторах и определят, сколько нейтрино изменило вкус при переходе от одного детектора к другому.

Усложняя анализ, каждый детектор будет измерять энергию, переносимую частицами. Это важно, поскольку осцилляции нейтрино меняются в зависимости от энергии, и эта дополнительная возможность позволяет исследователям охарактеризовать энергетическую зависимость. Возможно, самое важное то, что измерения определят как исчезновение мюонных нейтрино, так и появление электронных нейтрино. Если эти два фактора не уравновесятся, мы будем знать, что мюонные нейтрино превращаются во что-то другое — возможно, в стерильные нейтрино.

Эта экспериментальная программа превосходит предыдущие попытки по нескольким причинам. Во-первых, в эксперименте используется пучок нейтрино, который используется уже несколько десятилетий, а это означает, что ученые его детально изучили и поняли. Во-вторых, установка производит два измерения состава нейтринного пучка, а не полагается на расчеты для оценки содержания нейтрино. В-третьих, в обоих измерениях используется по существу идентичная технология. Это значительно снижает вероятность того, что любой наблюдаемый сигнал мог возникнуть из-за различий в том, как два детектора реагируют на нейтрино. Наконец, благодаря общей технологии детекторов, любые неправильные измерения состава нейтринного пучка в одном детекторе будут сопоставлены в другом, что приведет к уменьшению неопределенностей в общих измерениях.

ICARUS старше SBND и является первым большим детектором нейтрино на жидком аргоне. Первоначально он был построен и использовался в европейском эксперименте, а затем был отремонтирован и отправлен в Фермилаб в 2017 году. Напротив, SBND был построен специально для нейтринной программы Фермилаб. Этот детектор расположен ближе к месту образования нейтрино и меньше, чем ICARUS. SBND был установлен на нейтринном канале в апреле 2023 года, а его различные электрические, криогенные и вакуумные службы подключаются и тестируются. Ожидается, что детектор получит свой первый луч в феврале 2024 года.

Что дальше

Эксперименты по физике элементарных частиц редко приводят к быстрому объявлению результатов, и это особенно верно для экспериментов с нейтрино, которые имеют чрезвычайно низкую скорость взаимодействия. Исследователям придется фиксировать столкновения в течение нескольких лет, чтобы собрать достаточно данных и определить, подтверждают ли они гипотезу стерильных нейтрино.

Хотя поиск стерильных нейтрино является основным направлением исследовательской программы SBN, ученые также ожидают, что SBND зарегистрирует в 20–30 раз больше взаимодействий между нейтрино и атомами аргона, чем наблюдалось в прошлом. Это станет важным вкладом в еще одну попытку работы с нейтрино в Фермилаборатории — предстоящий эксперимент с глубокими подземными нейтрино (DUNE). DUNE, которая будет намного больше, чем все, что было до нее, будет расположена примерно в 1300 км от Фермилаба в пещере, которую в настоящее время раскапывают на глубине около 1,5 км под землей в заброшенном золотом руднике в Южной Дакоте. DUNE будет исследовать особенности осцилляций нейтрино, которые отличаются от тех, которые изучал SBN, и сосредоточится на вопросе о том, колеблются ли нейтрино из материи и антиматерии одинаковым образом. DUNE в настоящее время находится в стадии строительства и, как ожидается, начнет работу в конце 2020-х или начале 2030-х годов. Помимо важнейших исследований стерильных нейтрино, проводимых SBN, улучшенное понимание взаимодействий нейтрино и материи, ставшее возможным благодаря этой программе, послужит основой для анализа DUNE, что приведет к более быстрым выводам.

Нейтрино имеет долгую историю озадачивания ученых, начиная с того момента, когда эта частица была впервые предложена в 1930 году, до открытия в 1962 году существования нескольких типов нейтрино и до демонстрации в начале 21 века того, что нейтрино могут менять свою идентичность. Если окажется, что стерильные нейтрино существуют, физикам придется добавить к этому списку еще один сюрприз. Каким бы ни был результат, ясно, что скромному нейтрино еще есть что рассказать.