Коллаборация BEST доложила о результатах поиска осцилляций между электронными и стерильными нейтрино в Баксанской нейтринной обсерватории. Для этого физики воспроизвели эксперимент, в котором ранее обнаружили галлиевые аномалии, с разделением мишени по расстоянию от источника. В результате их опыта статистическая значимость эффекта приблизилась к 4σ. Статья с результатами принята к публикации в журнале Physical Review Letters, доступен препринт.
Нейтрино занимают особое место в физике элементарных частиц. Их важной особенностью стала крайне низкая интенсивность взаимодействия с остальным веществом. По этой причине их очень сложно изучать. Несмотря на это физики выяснили, что нейтрино и антинейтрино бывают трех типов — электронные, мюонные и таонные, соответствуя трем поколениям лептонов.
Вместе с тем, эти частицы содержат в себе много загадок. Так, например, долгое время было непонятно, почему количество электронных нейтрино, приходящих на Землю от Солнца примерно в три раза меньше, чем предсказывала теория. Решение этой загадки потребовало введение нейтринных осцилляций — процесса превращения нейтрино разных типов друг в друга. Нейтринные осцилляции, однако, означают, что эти нейтрино обладают ненулевой массой, хотя в первоначальной версии Стандартной модели она нулевая.
В накопленном опыте по экспериментам с нейтрино существует еще ряд аномалий со статистическими значимостями в предела х 2–3 σ, которые, возможно, указывают на существование еще как минимум одного типа нейтрино — стерильного нейтрино. Одна из аномалий, названная галлиевой аномалией, возникла при калибровке галлиевых детекторов солнечных нейтрино с помощью искусственных радиоактивных источников. Оказалось, что фиксируемое при этом число нейтрино меньше, чем предсказывает теория. Предполагается, что осцилляция между электронным и стерильным нейтрино могла бы объяснить такое поведение, однако недостаток точности пока не дает оснований утверждать о полноценном открытии эффекта.
Чтобы уменьшить экспериментальные ошибки в 2019 году в Баксанской нейтринной обсерватории был запущен проект BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions). Ранее в этом же комплексе, расположенном в недрах горы Андырчи на глубине до двух километров, в рамках проекта SAGE (Soviet—American Gallium Experiment) уже наблюдалась галлиевая аномалия. Целью SAGE было наблюдение за солнечными электронными нейтрино, которые пронизывали огромную массу (30-50 тонн) жидкого галлия. В результате редких ядерных реакций с их участием отдельные ядра 71Ga превращались в изотопы 71Ge с периодом полураспада около 11 дней. Для их извлечения физики перегоняли жидкий галлий в реакторы, которые извлекают изотоп германия химическими методами, превращая его в газ 71GeH4. Измеряя число распадов германия из газовой фазы, ученые делали выводы о числе пойманных нейтрино. Галлиевая аномалия же обнаружилась при калибровке этой установки с помощью изотопов 51Cr и 37Ar.
Для уменьшения ошибок, физики несколько изменили схему калибровки. В частности, они обратили внимание, что галлиевая аномалия опирается на сравнение экспериментальных данных с теорией, хотя точнее было бы сравнивать две измеряемые физические величины, по-разному «чувствующие» предполагаемые осцилляции. В частности, осцилляции приводят к тому, что количество потенциально детектируемых нейтрино оказывается зависящим от расстояния до источника.
Для реализации этой идеи ученые разделили толщу галлия на две части. Первая — внутренняя — заполняла собой камеру сферической формы с диаметром, равным 133,5 сантиметрам, изотропно окружающую радиоактивный источник. Вторая часть — внешняя — заливалась в пространство между внутренней камерой и стенками внешней камеры в виде цилиндра, диаметром 218 сантиметров и высотой 234,5 сантиметров. Такие размеры исключали влияние в сигнал превращения электронных нейтрино в другие известные их типы, поскольку эти процессы происходят на гораздо больших расстояниях. В качестве источника физики использовали 26 дисков из 51Cr, каждый диаметром 88 миллиметров и толщиной 4 миллиметра.
В результате двухмесячных измерений исследователи снова увидели галлиевую аномалию. Правда, отличие в параметре отклонения между различными частями жидкого галлия оказалось меньше погрешности. Однако усовершенствование аппаратной части и аккуратный учет всех погрешностей позволил говорить об статистической значимости аномалии, равной 4σ, что уже довольно близко к признанию гипотезы о стерильных нейтрино открытием. Физики надеются, что дальнейшее увеличение точности может быть достигнуто за счет уменьшения объема, который занимает сам источник, однако пока не понятно, как скомпенсировать в этом случае его упавшую мощность.
Нейтрино — не единственные частицы, превращающиеся по ходу движения в другие частицы. Недавно мы рассказывали, как физики обнаружили такие осцилляции у нейтрального очарованного мезона.
Комментарии