Фізики вперше зафіксували осциляції антинейтрино та появу нової частинки

Фізики повідомляють про “ґрунтовні докази” з експерименту NOvA, які підтверджують існування унікального квантового явища – осциляцій антинейтрино на відстані, а також нову знахідку на детекторі MiniBooNE.

Дослідники будівельних блоків нашого Всесвіту відчувають неабияке піднесення, оскільки 4 червня на конференції Neutrino 2018, яка відбулася у німецькому місті Гайдельберг, команда з Фермілаб оголосила про експериментальне підтвердження осциляцій частинок-антиподів нейтрино.

Якщо ви досі не відчули нічого схожого, не хвилюйтесь, адже електронні, мюонні та тау-нейтрино непомітні неозброєним оком, і ви певно ніколи не бачили їх чи їхніх дзеркальних близнюків з антиматерії у повсякденному житті. Варто лише згадати, що за відкриття осциляцій нейтрино Такаакі Каджита та Артур Макдональд отримали Нобелівську премію з фізики в 2015 році.

Нове перетворення

Команда дослідників з експерименту NOvA спостерігала осциляції нейтрино з одного типу в інший на відстані понад 800 км впродовж останніх трьох років. Однак цього разу вони повідомили по перші результати такого експерименту з частинками антиматерії.

Осциляції нейтрино
Нейтрино здатні осцилювати в інші типи, наче хамелеони. Джерело: Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

NOvA є частиною американської Національної прискорювальної лабораторії ім. Енріке Фермі (Фермілаб). Він також є найбільш довготривалим експериментом з дослідження нейтрино – елементарних частинок, здатних проходити крізь матерію, практично без взаємодії з нею. Щосекунди крізь наші тіла проносяться мільярди нейтрино, однак вони майже ніколи не залишають слідів.

Фізики експериментували з нейтрино та антинейтрино, аби більше дізнатися про їхні перетворення з одного типу в інший. Порівнюючи результати таких перетворень для матерії та антиматерії, вони сподівались ближче підібратись до складних механізмів, на яких працює наш Всесвіт. І їм це, схоже, цілком вдалося.

На відміну від Великого адронного колайдера у ЦЕРНі, Швейцарія, американський експеримент з дослідження нейтрино складається з двох детекторів на відстані близько 800 км один від одного. Однак, головна відмінність NOvA полягає у відсутності труби, по якій зазвичай прискорюють кванти. У Фермілаб їх надсилають прямісінько крізь Землю, зважаючи на особливості нейтрино проходити крізь будь-яку речовину.

Нові результати з’явилися після запуску експериментів з антиматерією у лютому 2017 року. Прискорювач Фермілам створив промінь мюонних нейтрино або мюонних антинейтрино, а другий детектор на віддалі фіксував їхні перетворення (осциляції) в інший тип – електронні нейтрино або електронні антинейтрино.

Перша реєстрація електронних антинейтрино
Реєстрація потенційних електронних антинейтрино на дальньому детекторі NOvA. Джерело: Evan Niner/NOvA collaboration

Досі жодний експеримент не надавав свідчень про осциляцію мюонних антинейтрино в електронні, тож дослідники здивувалися, коли побачили на другому детекторі надлишок електронних антинейтрино. Вчені отримали докази осциляцій дзеркальних близнюків нейтрино з антиматерії..

“Антинейтрино складніше отримати, ніж нейтрино, і вони менш схильні взаємодіяти у нашому детекторі,”

розповів Пітер Шанаган, один з речників дослідницької команди NOvA –

“Перший набір даних є частиною нашої мети, однак кількість подій осциляцій, які ми бачимо, є значно вищою за ту, яку ми очікували б побачити, якби антинейтрино не осцилювали з мюонного типу в електронний.”

Тепер головне завдання дослідників з експерименту NOvA – визначити, яке з трьох типів нейтрино має найбільшу масу, а яке – найменшу.

Поява “стерильного” нейтрино

Інший експеримент Фермілаб MiniBooNE також наробив чимало галасу, зафіксувавши аномалію з появою невідомого типу нейтрино.

Фотодетектори MiniBooNE
Контейнер MiniBooNE містить 1 520 фотодетекторів та має 12 м у діаметрі. Для фіксації нейтрино контейнер на час спостережень повністю заповнюється маслом. Джерело: Ryan Patterson / Princeton / Fermilab

Як ми вже знаємо, дослідникам відомі три різновиди частинок: електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино, а також їхні партнери з антиматерії. Нові результати експериментів, імовірно, відкрили четвертий, досі невідомий тип цієї частинки – “стерильне нейтрино”.

Однак радість фізиків у цьому випадку також супроводжується справжнім збентеженням, адже “стерильне” нейтрино кидає виклик Стандартній моделі. Якщо така частинка існує, дослідникам доведеться переглянути фундаментальні положення сучасної фізики та створити нову модель.

Четвертий тип нейтрино також може допомогти у вирішенні деяких важливих космологічних проблем, зокрема описати поведінку темної матерії – примарної невидимої субстанції, яка переважає над видимою матерією у Всесвіті і робить свій внесок у гравітаційну взаємодію всередині галактик.

Попередній надлишок нейтрино було зафіксовано на іншому пристрої під назвою LSND або Liquid Scintillator Neutrino Detector (Детектор нейтрино з рідким сцинтилятором) ще у 1990 році. З того часу інші детектори нейтрино так і не спромоглися підтвердити результати LSND. Проте вже у 2002 році зі стартом операційної роботи детектора MiniBooNE з’явились нові свідчення присутності невідомого типу нейтрино.

“Ми маємо два дуже різних детектора…І тепер ми маємо однакові результати,”

– розповів фізик Ен-Чуан Гуанґ з експерименту MiniBooNE.

Нове дослідження охоплює вдвічі більше даних, ніж було у перших результатах MiniBooNE, тож фізики вже не можуть проігнорувати цей потік частинок.

У новому експерименті дослідники запускали мюонні нейтрино та антинейтрино в резервуар детектора та спостерігали, як вони перетворюються на частинки електронного типу. Резервуар MiniBooNE був наповнений мінеральною оливою, а спеціальні сенсори відстежували незначні спалахи світла, які виникали від взаємодії електронних нейтрино з антинейтрино. Дослідники зафіксували 2 437 взаємодій, хоча розрахунки прогнозували на 460 менше.

Такий надлишок може свідчити про існування стерильного нейтрино. На думку дослідників, стерильні нейтрино можуть змінювати те, як відбувається перетворення нейтрино, створюючи умови, за яких більша кількість мюонних нейтрино трансформується в електронні.

Теоретично, на відміну від звичайних нейтрино, які інколи все ж взаємодіють зі звичайною матерією, стерильні нейтрино можуть взагалі не взаємодіяти з нею, окрім як через гравітацію.

Основа для темної матерії?

Властивості стерильних нейтрино роблять їх гарними кандидатами на частинки темної матерії. Однак, щоби пояснити результати експериментів на детекторі MiniBooNE, стерильні нейтрино мають бути відносно легкими – надто легкими, аби пояснити поведінку темної матерії.

Звичайна та темна матерія
Порівняння розподілу звичайної (баріонної) та темної матерії у великомасштабній структурі космосу. Джерело: NASA, ESA and R. Massey (California Institute of Technology)

Однак, якщо ми вже побачили новий тип нейтрино, чому б не припустити існування інших стерильних нейтрино з більшою масою? Таку думку поділяє космолог Ґеворк Абазаджан з Каліфорнійського університету в Ірвіні:

“Іноді, люди говорять, що вони наче таргани: якщо ви маєте один (тип – ред.) стерильного нейтрино, ви маєте й інші.”

Розбіжності у експериментах з нейтрино спостерігались і раніше. Коли дослідники вимірювали виникнення електронних антинейтрино у ядерних реакторах, вони побачили меншу кількість взаємодій, ніж очікували. Якби до цього були причетні стерильні нейтрино, вони б призвели до браку мюонних нейтрино, однак цього не сталося.

Дослідникам важко знайти загальне пояснення для результатів усіх експериментів з нейтрино. Багато хто погоджується, що зарано вигукувати: “Еврика!”. З іншого боку, це означає, що пояснення може виявитись ще складнішим та мати ще більший вплив на сучасну фізику.

arXiv (2018): 1805.12028

Сподобалась стаття? Придбайте нам , а ми напишемо ще.
Повідомити про помилку: підкресліть текст та натисніть CTRL+Enter або
Валентин Солонечний
  • 47 записів
  • 0 дописів
Засновник Science Ukraine, науковий журналіст та популяризатор науки. Слідкує за розвитком гравітаційної астрономії, ДНК-медицини та термоядерного синтезу. Підтримує позитивізм та гуманне ставлення до природи.