Осінь 2021 року ознаменувалася публікаціями результатів відразу двох експериментів, пов "язаних з пошуком стерильних нейтрино - гіпотетичних частинок, що виходять за рамки Стандартної моделі. Ступінь їх точності дозволяє офіційно заявити про те, що нам тепер точно необхідна Нова фізика. Обидві роботи поки не пройшли рецензування в наукових журналах. Розбираємося, що може означати для сучасної фізики правота авторів цих статей - і чого нам чекати далі.
Нейтрино з'явилися у фізиці частинок майже сто років тому - як вирішення проблеми з недотриманням законів збереження енергії в бета-розпаді. До відкриття нейтрино бета-розпад, що спостерігався в ядрах, представляли як перетворення нейтрона на протон з випусканням одного лише електрону. Враховуючи, що ні протон, ні нейтрон нікуди не тікають, кінетична енергія електрону повинна була приймати суворо певне значення, або дискретний їх набір. Насправді ж спектр електронів виявлявся завжди безперервним. Вирішення цієї проблеми передбачало або порушення закону збереження енергії, або введення нової частинки, яка ділила з електроном цю енергетичну різницю випадковим чином. Фізики вибрали другий шлях.
Через двадцять років практично невловиму частинку - вона бере участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодії, тому в буквальному сенсі проходить крізь матерію - зловили, і фізики зрозуміли, що прийняли правильне рішення. Незабаром стало ясно, що кожному лептону:електрону, мюону і таону - відповідає своє безмасове нейтрино. Всі вони зайняли своє місце в Стандартній моделі.
Практично відразу після свого народження нейтринна модель зіткнулася з труднощами. Спостереження за потоками нейтрино, що долітають до нас від Сонця показали, що частка електронних нейтрино в них в три рази менше, ніж пророкує Стандартна сонячна модель, що описує фізику процесів у нашій зірці. Схожі проблеми виникли і при вивченні часток мюонних нейтрино, що виникають в атмосфері разом з мюонами при її бомбардуванні космічними променями. Всі ці труднощі пояснив механізм нейтринних осциляцій, що описує перетворення нейтрино різних типів один в одного. Їх експериментальне підтвердження стало приводом для присудження Нобелівської премії в 2015 році.
Перетворення нейтрино одного типу в нейтрино іншого носить ймовірнісний характер. Ця ймовірність періодично залежить від відстані, яка пролітає нейтрино. Її осциляції відбуваються тим частіше, чим більша різність квадратів мас обох частинок. Причиною осциляцій стає той факт, що статки з певним ароматом (квантовим числом, що характеризує тип лептона), говорячи мовою квантової механіки, не є станами з певною масою.
Іншими словами, для участі в слабких перетвореннях нейтрино потрібен один тип квантових чисел, в той час як для їх вільного поширення - інший, тому летить нейтрино постійно знаходиться в стані квантової суперпозиції. Втім, у цьому нейтрино не самотні: крім них, в подібних осциляціях беруть участь інші нейтральні частинки, наприклад зачарований D0-мезон. Можливо, заряджені лептони теж могли б перетворюватися один в одного, але перетворенням електрона в мюон або в таон заважає гігантська різниця їх мас, яка істотно перевищує невизначеності їх вимірювання і тому миттєво руйнує квантову суперпозицію.
Варто відзначити, однак, одну важливу особливість нейтринних осциляцій, яка нам ще знадобиться. Те, що нейтрино в принципі можуть осцилювати, говорить, що у них є маси і навіть дозволяє вирахувати різниці їх квадратів (7,5 − 10 ‑ 5 і 2,5 − 10 ‑ 3 квадратних електронвольт, відповідно).
Правда, визначити самі маси ми поки не змогли. Деякі обмеження по масі нейтрино нам дають спостереження за реліктовим випромінюванням і дані про поширеність галактик у Всесвіті. З їх допомогою ми знаємо, що сума мас всіх трьох нейтрино не перевищує десятих часток електронвольту. Для порівняння: маса електрона - наступної за тяжкістю частинки Стандартної моделі - дорівнює 0,51 мегаелектронвольта. Точне значення мас нейтрино, тим не менш, залишається загадкою, відповідь на яку може мати значення для космології.
Проблеми тривають
Паралельно з перетворенням гіпотези про осциляцію нейтрино в надійну теорію копилися експериментальні факти, які вимагали рухатися ще далі.
До числа перших можна віднести результат експерименту LSND, який проводила Лос-Аламоська національна лабораторія з 1993 по 1998 рік. З нього випливало, що різниця між квадратами мас електронних і мюонних антинейтрино дорівнює одному квадратному електронвольту - що істотно більше, ніж отримане раніше значення. Цю аномалію можна було б пояснити, сказавши, що існує ще один тип нейтрино, стерильний, - який не бере участі навіть у слабких взаємодіях, а проявляє себе виключно через осциляції з відомими нам нейтрино. Його маса якраз відрізнялася б своїм квадратом від мас активних нейтрино на ту саму одиницю, яка «загубилася» на LSND.
Цю гіпотезу підтримали результати двох експериментів з вивчення сонячних нейтрино, SAGE і GALLEX, що проводилися приблизно в цей же час. При калібруванні галієвих детекторів в обох випадках виявилася так звана галієва аномалія: відхилення числа електронних нейтрино, які вловлювали детектори, від значення, передбачуваного в рамках існуючої теорії. Аномалію могло б пояснити перетворення електронного нейтрино на стерильні приблизно з тією ж різницею квадратів мас, що і в разі LSND.
Проблема цих і ще кількох експериментальних свідчень на користь існування стерильного нейтрино полягала в недостатній статистичній значущості (менш ніж 3) їхніх результатів. З цієї причини і були запущені експерименти MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) і BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions).
Що сталося зараз
Перший експеримент проводила Національна дослідницька лабораторія імені Енріко Фермі (Fermilab, США), у 2018 році він отримав «позитивно стерильний» результат. Однак кілька фізиків зустріли роботу своїх колег з деяким скепсисом. Її можна було розуміти не тільки, як підтвердження існування стерильних нейтрино, але і пояснити тим, що черенківські детектори MiniBooNE не можуть відрізнити сигнали електронів від фотонів, народжуваних в обхід основного процесу.
Справа в тому, що MiniBooNE реєстрував електронні та мюонні нейтрино щодо їх взаємодії з молекулами детектора. Народжувані в результаті цього електрони детектувалися за створюваним ними світлом, а їхні енергетичні властивості дозволяли відрізнити електронне нейтрино від мюонного. В експерименті було вилучено: нейтрино можуть розсіюватися на ядрах з народженням нейтральних піонів - а це означає, що детектори могли прийняти світло від розпаду цих піонів за світло електронів. Внесок від цих спалахів міг би пояснити аномалію.
Тому слідом за цим у Фермілаб провели ще один експеримент, MicroBooNE, чий препринт з'явився днями. Вони більш ретельно вивчили процес розпаду піонів і показали, що його інтенсивність занадто слабка, щоб вносити відчутний шум в дані детектування нейтрино.
BEST проводився в Баксанській нейтринній обсерваторії Інституту ядерних досліджень РАН. Фізики вивчали галієву аномалію, з якою до цього зіткнулися SAGE і GALLEX. BEST відхилення реального числа електронних нейтрино від теоретичного передбачення не тільки підтвердив, але і збільшив достовірність цього ефекту.
Експерименти MiniBooNE і BEST вінчають собою довгий шлях з пошуку і дослідження нейтринних аномалій. За останню чверть століття фізики отримали не менше півтора десятка різноманітних свідчень того, що нинішня нейтринна модель вимагає якогось розширення. Але від інших експериментів і спостережень нинішні результати відрізняє висока статистична значимість. Вона вперше перевищує 5º( що відповідає ймовірності помилки, що не перевищує 3 ст.1 10-7) - подібну достовірність у фізиці елементарних частинок прийнято вважати достатньою. MiniBooNE довів достовірність надлишку електронних нейтрино до 4,8º( а в разі комбінації з результатами LSND - всі шість!), а BEST підтвердив їх нестачу з достовірністю понад 5º. Обидва ці факти кажуть: відкриття підтвердилося.
Здавалося б, після цього можна було б сказати, що ми нарешті виявили нові частинки. На ділі ж все лише заплуталося ще сильніше.
У чому нюанс
Справа в тому, що якщо ми скажемо, що BEST і MiniBooNE відкрили стерильні нейтрино, то увійдемо в протиріччя з низкою інших спостережень і вимірювань.
В першу чергу, стерильні нейтрино псують елегантну роздільну здатність загадки сонячних нейтрино, за яку вже вручили Нобелівську премію. Якщо BEST і MiniBooNE спіймали в свої детектори стерильні нейтрино, то частка електронних нейтрино в сонячних повинна бути не в три, а в чотири рази менше. Масла у вогонь підливає той факт, що BEST - це, фактично, спадкоємець експерименту SAGE, який вивчав сонячні нейтрино - та ж сама обсерваторія, те ж саме обладнання.
Інша проблема - це дані з інших установок з пошуку нейтрино. Так, IceCube і DANSS не знайшли стерильних нейтрино там, де їх побачили BEST і MiniBooNE, а Neutrino-4 знайшов, але з масовою різницею, що дорівнює семи квадратним електронвольтам. А це трохи вище одиниці, отриманої в LSND. Існує ще ряд експериментів, які не узгоджуються зі «стерильною» гіпотезою з однією новою часткою. Це може означати також і те, що стерильних нейтрино насправді більше одного. Втім, для всіх цих експериментів характерна невисока статистична значимість порівняно з BEST і MicroBooNE.
Нарешті, третя проблема - це космологічні дані. Вони вкрай неохоче поєднуються з легкими стерильними нейтрино, які отримали в експериментах на Землі. Більш того, для космології інтерес представляла б пара або трійка дуже важких стерильних нейтрино, які могли б бути кандидатами на темну матерію або причиною асиметрії матерії і антиматерії у Всесвіті.
І як бути далі
Чи означає це все, що про відкриття нової частинки говорити поки рано? Академічна відповідь на це питання - так.
Інше питання, що ідея одного або декількох стерильних нейтрино - це поки найкрасивіша і економна гіпотеза. Вона і пояснює відразу кілька феноменів, і вимагає введення малого числа параметрів. Це робить стерильні нейтрино вкрай привабливим кандидатом для пояснення нових достовірних даних.
За словами головного наукового співробітника ІЯІ РАН і одного з фізиків, які працювали над проектом BEST, Дмитра Горбунова, не варто списувати з рахунків, що і всередині фізики Сонця, і в космології досі залишилися свої невирішені протиріччя. У першому випадку мова йде про нестиковки між сонячною моделлю і даними геліосейсмології, а в другому - про відмінність між значеннями постійної Хаббла на основі спостережних даних з раннього і пізнього Всесвіту, а також суперечності даних про великомасштабну структуру Всесвіту, отриманих різними методами. Всі ці проблеми потенційно можуть бути пов'язані з проблемою стерильних нейтрино.
Нарешті, немає однаковості і в експериментах з наземними установками: різні групи досліджують перетворення різних типів нейтрино (електронних і мюонних) з різними спектральними властивостями, що теж може мати значення. Цілком може виявитися, що, наприклад, експерименти з мюонними нейтрино з енергіями в кілька сотень мегаелектронвольт (MiniBooNe) не можна безпосередньо порівнювати з експериментами з електронними нейтрино з енергіями в кілька сотень кілоелектронвольт (BEST) - занадто різні фізичні умови.
Проблема визнання стерильних нейтрино тут і зараз полягає в тому, що ми можемо виміряти достовірність будь-якого ефекту, але не можемо виміряти «хорошість» тієї чи іншої його інтерпретації. Єдине, на що в цьому випадку можна орієнтуватися, - це консенсус фахівців у галузі фізики елементарних частинок. Але його поки, здається, доведеться почекати.