Міжнародна група вчених, у тому числі з Манчестерського університету, яка працює над експериментом MicroBooNE у Національній прискорювальній лабораторії Міністерства енергетики США ім. Енріко Фермі, оголосила, що не виявила доказів існування четвертого типу нейтрино, відомого як стерильне нейтрино.
Протягом десятиліть фізичні експерименти спостерігали нейтрино — субатомні частинки, що оточують нас усюди, — поведінка яких не відповідає стандартній моделі фізики елементарних частинок. Одним із найбільш перспективних пояснень було існування стерильних нейтрино, названих так тому, що, згідно з прогнозами, вони взагалі не взаємодіють з матерією, на відміну від інших нейтрино. Це означає, що вони могли б проходити через Всесвіт практично непоміченими.
Використовуючи високочутливий детектор MicroBooNE, встановлений на двох різних нейтрино пучках, дослідники спостерігали за поведінкою тисяч нейтрино протягом декількох років. Якби існувало четверте нейтрино, воно б залишило чіткий слід. Результати, опубліковані в журналі Nature, показують відсутність доказів і з 95% ймовірністю виключають єдине пояснення у вигляді стерильних нейтрино.
Джастін Еванс, професор фізики елементарних частинок у Манчестерському університеті та співречник проєкту MicroBooNE, сказав: «Кожного разу, коли ви виключаєте одне місце, де може існувати фізика за межами Стандартної моделі, це змушує вас шукати в інших місцях. Цей результат справді спонукає творчий імпульс у спільноті фізиків нейтрино до пошуку ще більш захопливих способів пошуку нової фізики. Іноді наука однаково залежить від того, чого ви не знайшли, як і від того, що ви знайшли».
Манчестерський університет відіграв провідну роль у цьому прориві. Лікар Олена Грамелліні була рушійною силою фізичної програми експерименту з використанням пучка NuMI - найважливішої частини аналізу, що лежить в основі цього результату. Професор Роксанн Генетт була одним з ініціаторів програми MicroBooNE з вивчення осциляцій на коротких базах, допомагаючи сформувати стратегію, що використовується для дослідження питання про стерильні нейтрино. Нова стаття безпосередньо спирається на цю фундаментальну працю.
Нейтрино бувають трьох відомих типів або ароматів: мюонні, електронні та тау-нейтрино. Вони можуть переходити з одного типу до іншого в міру свого руху. Але ця зміна аромату не може бути повністю пояснена сучасною стандартною моделлю.
Деякі раніше експерименти — LSND і MiniBooNE — також зробили спостереження, що передбачають, що мюонні нейтрино осцилюють в електронні нейтрино на коротших відстанях, ніж це має бути можливим.
"Вони спостерігали зміну аромату в масштабі довжини, який просто не узгоджується з існуванням лише трьох нейтрино", - пояснив професор Еванс, - "І найбільш популярне пояснення за останні 30 років для пояснення цієї аномалії полягало в тому, що існує стерильне нейтрино".
Експеримент збирав дані з 2015 по 2021 рік, спостерігаючи нейтрино з пучка нейтрино-бустера Фермілаба та пучка NuMI. MicroBooNE - перший експеримент, у якому пошук стерильних нейтрино проводився одночасно з використанням одного детектора та двох пучків. Це знижує невизначеність результатів MicroBooNE, дозволяючи виключити майже всю кращу область, де могло ховатися єдине стерильне нейтрино.
Хоча цей результат виключає одне з пояснень аномалій, які наявні у поведінці нейтрино, сама загадка залишається. Зараз вчені аналізують дані MicroBooNE, що залишилися, і інші експерименти в рамках програми Short-Baseline Neutrino Program також займаються цим питанням.
Крім пошуку нової фізики, колаборація MicroBooNE надає інформацію про те, як нейтрино взаємодіють у рідкому аргоні - важливий показник, який принесе користь іншим експериментам з використанням рідкого аргону та проєкційної камери, таким як Deep Underground Neutrino Experiment.
Метью Таупс, старший науковий співробітник Фермілаба і співречник проєкту MicroBooNE, сказав: «Дуже добре займатися як передовими науковими дослідженнями, які мають значний вплив на нашу область, так і розробкою нових методів, які будуть підтримувати та забезпечувати можливість майбутніх наукових вимірів».
