Поверхностное сооружение для эксперимента IceCube, который проводился под ледниками в Антарктиде на глубине почти 1,6 километра. Полученные тогда результаты говорили о том, что стерильных нейтрино не существует, но новый эксперимент показывает, что это не так.
Ученые, возможно, доказали, что существуют так называемые стерильные нейтрино — таинственные частицы, которые проходят через вещество, вообще не взаимодействуя с ним.
Это означает, что во вселенной происходит что-то странное, что делает самые передовые физические эксперименты человечества противоречивыми друг другу.
Стерильные нейтрино
Еще в середине 1990-х годов с помощью Жидкостного сцинтилляторного детектора нейтрино (LSND), находящегося в Национальной лаборатории Лос-Аламоса в Нью-Мексико, был проведен эксперимент, который обнаружил свидетельство существования таинственной новой частицы — стерильного нейтрино, которое проходит через вещество, не взаимодействуя с ним. Но этот результат так и не смогли воспроизвести — другие эксперименты просто не могли найти никакого следа скрытой частицы. Таким образом, результат эксперимента был признан ошибочным.
Недавно были опубликованы результаты нового эксперимента — MiniBooNE, который проводился в Национальной лаборатории ускорителей Ферми (Fermilab), расположенной недалеко от Чикаго, в котором снова были обнаружены следы существования стерильного нейтрино. Новая статья, размещенная в крупнейшем архиве электронных публикаций arXiv, достаточно убедительно свидетельствует в пользу существования недостающего нейтрино, чтобы заставить заметить ее ведущих физиков.
Так выглядит камера установки LSND, в которой на протяжении 5 лет, с 1993 по 1998 год, расположенные по краям датчики считали количество провзаимодействовавших с веществом нейтрино. В рабочем состоянии эта камера полностью заполнена водой, которой понадобилось 167 тонн.
«Новые данные, полученные в эксперименте MiniBooNE, подтверждают, что полученные результаты является реальными. Эти данные могут (насколько мне известно) НЕ соответствовать Cтандартной модели. Это требует либо новых частиц (стерильных нейтрино), либо какого-либо нарушения симметрии Cтандартной модели» — говорит Сабина Хоссенфельдер, физик-ядерщик из Франкфуртского университета перспективных исследований.
Если новые результаты MiniBooNE подтвердятся, «это будет огромным прорывом, это будет выходом за рамки Cтандартной модели, для чего потребуются новые частицы ... и совершенно новая аналитическая модель», — говорит Кейт Шельберг, физик-ядерщик из Университета Дьюка, которая не участвовала в эксперименте.
Стандартная модель является доминирующей в течение более чем полувека. Она представляет собой список частиц, которые все вместе объясняют то, как материя и энергия взаимодействуют между собой. Некоторые из этих частиц, такие как кварки и электроны, довольно легко себе представить: они являются строительными блоками атомов, которые составляют все, что мы когда-либо коснемся руками.
Другие, такие как три известных нейтрино, более абстрактны: они — частицы высоких энергии, которые летят через вселенную, едва взаимодействуя с другим веществом. Миллионы солнечных нейтрино ежесекундно проходят через кончик вашего пальца, но едва ли они наносят вам какой-либо вред.
Электронные, мюонные и тау-нейтрино — три известных «аромата» (квантовые характеристики частиц) — взаимодействуют с веществом через слабое взаимодействие (одну из четырех фундаментальных сил Вселенной) и гравитацию. Их антиматерные близнецы тоже иногда взаимодействуют с веществом. Это означает, что специализированные детекторы могут найти нейтрино, прилетевшие от Солнца, а также от некоторых рукотворных источников, таких как ядерные реакторы. Но эксперимент, проведенный с помощью LSND, предоставил первое доказательство того, что то, что люди могли обнаружить, может быть не полной картиной.
По мере того, как нейтрино летят через пространство, они периодически «колеблются», меняя один аромат на другой, объясняет Шельберг. Обе установки, LSND и MiniBooNE, включают в себя детекторы, являющиеся огромными резервуарами с жидкостью (вода в случае с LSND и масло в случае с MiniBooNE). Большие объемы жидкости (сотни тонн) нужны для того, чтобы с большей вероятностью улавливать крайне редкие взаимодействия нейтрино с веществом.
В обоих экспериментах сообщается о фиксировании большего количества нейтрино, чем объясняет осцилляция нейтрино (то есть переход одного вида нейтрино в другой), которую предлагает Стандартная модель. Это, возможно, говорит о том, что нейтрино осциллируют в какой-то новый их вид — стерильные нейтрино — которые детектор не может непосредственно обнаружить.
Результаты, полученные в эксперименте MiniBooNE, имеют стандартное отклонение (сигма) на уровне 4.8 — это означает, что шанс ошибки 1 к 3.5 миллионам. Если же суммировать результаты MiniBooNE и LSND, то получаем уже 6.1 сигма — шанс ошибки меньше, чем 1 к 500 миллионам!
Схема и вид внутри установки MiniBooNE, где, в отличие от LSND, в камеру заливалось масло.
Если бы LSND и MiniBooNE были единственными нейтринными экспериментами на Земле, говорит Шольберг, это было бы концом — Стандартная модель будет обновлена, чтобы включить новый тип нейтрино, при этом ее придется серьезно менять. Но есть проблема. Другие крупные нейтринные эксперименты, такие как Проект по осцилляции нейтрино с эмульсионным аппаратом (OPERA), проведенный в Швейцарии, не обнаружил аномалий, наблюдаемых в LSND и MiniBooNE.
Еще в 2017 году, после того, как лаборатория IceCube Neutrino в Антарктиде не смогла найти доказательств существования стерильных нейтрино, исследователи сделали вывод, что результаты другого эксперимента, говорившего об отсутствии антинейтрино вокруг ядерных реакторов — были ошибочными, и по факту представляли результат неверных вычислений.
Так что стерильные нейтрино не были ни отвергнуты, но и не приняты наукой. Результаты MiniBooNE усложняют картину. «Есть люди, которые сомневаются в результатах, — говорит Шольберг, — но нет оснований думать, что что-то не так [с самим экспериментом]».
По ее словам, есть шанс того, что аномалия в экспериментах LSND и MiniBooNE может оказаться «систематикой», то есть она проявляется из-за того, что мы не знаем каких-то особенностей взаимодействия нейтрино с установкой. Но также все более и более очевидно, что новый эксперимент подкинул ученым хорошую «загадку», решение которой может серьезно изменить привычное нам понимание физики частиц.
