Международная группа ученых завершила многолетнее исследование, результаты которого решили одну из давних загадок физики элементарных частиц. Эксперимент MicroBooNE показал, что гипотетическая частица под названием стерильное нейтрино на самом деле не существует. Об этом сообщает издание SciTechDaily со ссылкой на публикацию результатов в журнале Nature. Это открытие закрывает 30-летнюю дискуссию и заставляет физиков искать другие объяснения необычным явлениям в поведении нейтрино.
Дэвид Каратели, доцент физики из Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, который координировал физическую часть эксперимента, объяснил суть проблемы. Нейтрино представляют собой фундаментальные частицы, которые крайне сложно обнаружить, но при этом они относятся к самым распространенным во Вселенной. Более ранние эксперименты давали результаты, которые противоречили устоявшимся представлениям о нейтрино. Это заставило ученых предположить существование четвертого типа нейтрино — так называемого стерильного. Однако новые измерения, полученные в рамках MicroBooNE, не подтверждают эту гипотезу.
Исследователь назвал полученный результат важным шагом вперед для всей области. Исключение этой долгоживущей гипотезы помогает сделать поиск других экзотических частиц более целенаправленным. Кроме того, работа дает ценные ориентиры для следующего поколения крупных экспериментов, которые будут изучать фундаментальную природу нейтрино. Финансирование проекта частично осуществлялось Министерством энергетики США и Национальным научным фондом.
Стандартная модель физики элементарных частиц представляет собой надежную и внутренне согласованную систему для понимания частиц и сил во Вселенной. Многие ее предсказания были подтверждены экспериментально. Тем не менее некоторые аспекты остаются необъясненными и продолжают бросать вызов ученым. Мэттью Тупс, старший научный сотрудник Fermilab и представитель проекта MicroBooNE, отметил: «Мы знаем, что Стандартная модель отлично описывает множество явлений в природе. Но мы также знаем, что она неполная. Она не объясняет темную материю, темную энергию или гравитацию».
Одним из таких пробелов в понимании является область нейтрино. Модель первоначально предсказывала, что эти частицы не имеют массы. Однако серия экспериментов во второй половине 20 века, в ходе которых измерялись нейтрино, приходящие из космоса, показала странное поведение этих так называемых призрачных частиц. Оказалось, что определенные типы нейтрино исчезали по мере движения. Существует три основных типа: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Ученые пришли к выводу, что частицы меняют свою идентичность в процессе движения, переходя из одного типа в другой.
Каратели пояснил: «Единственный способ, которым может происходить такое колебание, — это если нейтрино имеют массу. Это то, что Стандартная модель не предсказывала». Дальнейшие исследования в 1990-х годах в Лос-Аламосской национальной лаборатории и эксперимент MiniBooNE в Fermilab выявили еще одну загадку. Мюонные нейтрино переходили в электронные таким образом, который невозможен при наличии только трех типов. Джастин Эванс, профессор Манчестерского университета и представитель MicroBooNE, объяснил: «Самым популярным объяснением этих аномалий на протяжении последних 30 лет была гипотетическая стерильная частица».
В отличие от трех известных нейтрино, которые взаимодействуют со своими заряженными аналогами через электрослабую силу, этот гипотетический четвертый тип не должен был взаимодействовать с заряженным аналогом через слабое взаимодействие. Для проверки этой гипотезы был построен более чувствительный детектор MicroBooNE в лаборатории Fermilab, способный наблюдать эти кажущиеся аномальными колебания с большим разрешением.
Команда собирала данные с двух пучков нейтрино на территории Fermilab с 2015 по 2021 год. Эти пучки направляют нейтрино к камере временной проекции на жидком аргоне MicroBooNE — инструменту, который позволяет наблюдать взаимодействие нейтрино с высокочувствительным жидким аргоном внутри камеры. Исследователи производили нейтрино одного типа и размещали детекторы в оптимальных позициях, чтобы максимизировать вероятность обнаружения стерильного нейтрино. Они создавали мюонные нейтрино, и если бы стерильная частица существовала, то появились бы электронные нейтрино.
Затем ученые измерили количество электронных нейтрино, достигших детектора, и проверили данные на соответствие показателям, которые получились бы при наличии стерильного нейтрино, а также при его отсутствии. То, что они увидели, оказалось согласованным с отсутствием колебаний в стерильное нейтрино, тем самым исключив существование этой гипотетической частицы. Эта работа последовала за более ранним результатом, опубликованным группой летом 2025 года, который исключил избыток электронных нейтрино.
Хотя коллаборация закрыла вопрос о стерильном нейтрино, загадка, обнаруженная в предыдущих экспериментах, остается. Ученые с нетерпением готовятся исследовать ее с помощью новых и более мощных детекторов. Каратели сказал: «Я думаю, это своего рода смена парадигмы для нас». После исключения примерно 30-летней гипотезы исследователи с нетерпением ждут возможности изучить гораздо более широкий спектр теорий, которые могли бы объяснить эту аномалию и, в более общем плане, ответить на открытые вопросы физики элементарных частиц, включая раскрытие природы темной материи.
У ученых теперь есть гораздо более разнообразный набор вариантов для исследования. Для этого они также могут использовать технологии и методы, которые разработали и усовершенствовали в работе с MicroBooNE, применяя многодетекторные подходы. Один из таких вариантов изучает, могут ли фотоны быть ответственны за эти аномалии. Профессор физики из Калифорнийского университета Сяо Ло недавно опубликовал первый анализ, который начинает исследовать эту новую гипотезу. Более широкая программа изучения нейтрино короткой базы в Fermilab, в которой участвует команда, сможет изучить эти вопросы еще более детально в ближайшие годы.
Тем временем идет подготовка и строительство глубинного подземного эксперимента с нейтрино DUNE. Расположенный на глубине полтора километра под землей на исследовательском объекте в Южной Дакоте, детектор частиц станет крупнейшим в своем роде из когда-либо построенных. Он будет принимать самый интенсивный в мире пучок высокоэнергетических нейтрино, выпущенных через землю из Fermilab на расстоянии 1300 километров. Детектор MicroBooNE имеет размер школьного автобуса, но DUNE будет масштаба футбольного поля.
Его чувствительность, точность и объем данных, которые он будет генерировать, могут дать ученым представление не только о колебаниях нейтрино, но и о других загадках физики, с которыми связаны эти частицы, например о том, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Каратели подчеркнул: «Одна из ключевых вещей, которую сделал MicroBooNE, — это дал нам всем уверенность и научил использовать эту технологию для измерения нейтрино с высокой точностью. То, что мы узнали с MicroBooNE о том, как анализировать данные, поступающие в детектор, напрямую применимо к DUNE».
Оригинал статьи.
Самое популярное за сегодня:
Надежда Кадышева обошла всех звезд по стоимости новогодних корпоративов
Врач Чернышова: Полный отказ от лекарств ведет к сокращению жизни
Идут разговоры о лучших направлениях: россиянам открыты десятки стран без виз
С премьеры Иронии судьбы прошло 50 лет: дочь режиссера раскритиковала сиквел
Время проживания в США прошло: Анджелина Джоли готовится к переезду