Нейтрино — это крошечные частицы, которые практически не взаимодействуют с веществом. Они способны пролететь сквозь целую планету, ни с чем не столкнувшись. Согласно Стандартной модели — основной теории физики элементарных частиц — существует три типа нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Эти частицы обладают удивительным свойством: они могут превращаться друг в друга в процессе осцилляции.
Однако в некоторых экспериментах ученые наблюдали поведение нейтрино, которое не вписывалось в предсказания Стандартной модели. Для объяснения этих аномалий была выдвинута гипотеза о существовании четвертого типа частиц — так называемых стерильных нейтрино. В отличие от остальных собратьев, стерильное нейтрино вообще не никак не могло взаимодействовать с материей, кроме как через гравитацию, то есть обнаружить эти частицы было практически невозможно.
Для поиска стерильных нейтрино в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в США был начат эксперимент MicroBooNE с использованием большого детектора, заполненного жидким аргоном, и двух независимых пучков нейтрино. Ученые тщательно отслеживали, как частицы ведут себя и меняют свой тип при движении. И, спустя десятилетие работы они были вынуждены с уверенностью в 95% исключить существование стерильных нейтрино.
«Наш результат породит инновационные направления в исследованиях нейтрино, потому что нам все еще нужно понять, что на самом деле происходит, — говорит Эндрю Мастбаум, доцент физики Ратгерского университета и один из руководителей эксперимента. — Мы можем исключить главного подозреваемого, но полностью загадку физики нейтрино это не решает».
Достоверность результатов обеспечена тщательным учетом всех возможных источников погрешностей: от особенностей взаимодействия нейтрино с атомными ядрами до точного количества частиц в пучке и характеристик самого детектора.
Полученные данные имеют большое значение для фундаментальной физики. Стандартная модель, при всей ее успешности, не объясняет такие явления, как темная материя, темная энергия или природа гравитации. Ученые продолжают иследования за пределами этой теории, и исключение одной из гипотез помогает сузить поле поиска. Разработанные в ходе MicroBooNE методы уже применяются для подготовки будущих экспериментов, в том числе, масштабного проекта DUNE — Глубинного подземного нейтринного эксперимента.
Ранее ученые раскрыли особенности неуловимой космической частицы WIMP.