Все новости

OPERA «закрыла» стерильные нейтрино c достоверностью 3,3 σ. Это еще не окончательный приговор неуловимой частице, но очень, очень близко к нему

Международная группа исследователей, в которой были и российские ученые, проанализировала результаты крупнейшего эксперимента OPERA и пришла к выводу, что в них почти наверняка нет никаких следов стерильных нейтрино. Это весьма важный результат: такую частицу уже много лет предлагают как «лекарство» от острейших нерешенных проблем современный физики — загадки темной материи и барионной асимметрии Вселенной (то есть преобладания вещества над антивеществом).
Тоннель SPS, синхротрона ЦЕРН, служащий источником нейтрино для эксперимента OPERA CERN
Описание
Тоннель SPS, синхротрона ЦЕРН, служащий источником нейтрино для эксперимента OPERA
© CERN

Стерильными называют гипотетические нейтрино, которые участвуют в гравитационном, но не участвуют ни в электромагнитном, ни в слабом, ни в сильном взаимодействиях. Таким образом, свойства стерильных нейтрино начинают напоминать свойства столь же гипотетических WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц), которыми многие ученые пытаются объяснить феномен темной материи — чего-то невидимого для телескопов, но явно влияющего на структуру галактик. В теории стерильные нейтрино вполне возможно обнаружить: они должны участвовать в нейтринных осцилляциях, то есть периодически превращаться в другие виды нейтрино.

Детекторы OPERA ловят пучок из синхротрона SPS в Женеве. Установки разделяют 732 километра. Детектор OPERA состоит из 150 тысяч свинцовых пластин, прослоенных эмульсионной пленкой весом 8,3 кг каждая. Ранее эксперимент OPERA изучал нейтринные осцилляции (превращения разных видов нейтрино друг в друга) электронных, мюонных и тау-нейтрино, существование которых доказано. Именно на нем в 2010 году были получены свидетельства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино.  Авторы новой работы использовали те же наборы данных, чтобы отследить в них следы стерильного нейтрино — OPERA накопил огромную статистику по осцилляциям нейтрино, поэтому вполне резонно ожидать, что в них должны быть следы и стерильных нейтрино.

Ученые, препринт статьи которых опубликован на сайте препринтов Корнеллского университета, проверяли наиболее популярную модель этой частицы — легкого стерильного нейтрино. Кроме данных OPERA привлекались и данные от других экспериментальных детекторов нейтрино. Оказалось, что вероятность существования легкого стерильного нейтрино, согласно всем экспериментам по превращениям одних видов нейтрино в другие, исключена с вероятностью 3,3 σ. Сигмой (σ) в статанализе обозначают стандартное отклонение. Для самого простого случая, нормального распределения, вероятность попасть в интервал ± 1σ равна приблизительно 68%, в ± 2σ — 95%, в ± 3σ — примерно 99,8%. Это значит, что в новой работе вероятность существования следов стерильного нейтрино в данных OPERA очень низка — считанные доли процента (ниже 0,2%). С вероятностью значительно более 99% легких стерильных нейтрино не существует. В теории в физике предпочитают более высокую уверенность в результатах — порядка пяти сигм. Однако это относится только к ситуации, когда речь идет об открытии новой частицы. Поскольку стерильное нейтрино никогда не открывали, в данном случае требования такого рода не строго обязательны.

Тем не менее ограничения в 3,3 σ делают ситуацию лучше, чем в других отраслях физики, где продолжаются дебаты о различных гипотетических частицах. Например, по WIMP пока таких ограничений вообще нет, поскольку ни энергия, ни сечение для таких частиц не имеют строгих ограничений, и при достаточно малых значениях сечения всегда можно предположить, что какие-то частицы такого рода все равно существуют, просто их трудно обнаружить экспериментально. С легким стерильным нейтрино ситуация более ясная: в случае его существования оно должно оказывать влияние на превращения одного типа обычных нейтрино в другой.

Эти данные особенно важны потому, что ранее, в 2018 году, на основе данных другого, менее масштабного эксперимента (MiniBooNE в Национальной лаборатории имени Ферми в США) было заявлено об обнаружении сигналов, совместимых с существованием стерильного нейтрино. Авторы новой работы показывают, что при использовании более широкой статистики данные эти не выдерживают критики.

Стерильные нейтрино ранее предлагались на роль главного действующего лица в нейтринной минимальной стандартной модели Шапошникова. Там использовалось сходство их свойств с параметрами гипотетической темной материи, реальные носители которой до сих пор не вполне ясны. Новые данные показывают, что шансы на реалистичность этой модели ниже одного процента.

 Иван Ортега