Разрыв шаблонов в мире физики: охотились за новой частицей, а нашли дыру в законах природы

Физики опровергли гипотезу о стерильном нейтрино — Nature

Почти три десятилетия ученые по всему миру искали следы загадочной частицы — стерильного нейтрино. Оно должно было объяснить странности в поведении известных нейтрино и стать шагом за пределы Стандартной модели. Но новые данные поставили крест на этой идее. Об этом сообщает Naukatv.ru.

Как появилась идея "четвертого" нейтрино

Нейтрино — одни из самых неуловимых частиц во Вселенной. Они рождаются в ядерных реакциях звезд, пронизывая все живое на Земле миллиардами каждую секунду. Известны три их разновидности: электронные, мюонные и тау-нейтрино. В 1960-х ученые обнаружили, что эти частицы способны менять тип в полете — явление осцилляций, за которое в 2015 году присудили Нобелевскую премию.
Однако в 1990-х два крупных эксперимента — LSND в Лос-Аламосе и MiniBooNE в Фермилабе — зафиксировали нечто, что не укладывалось в рамки известной физики. Мюонные нейтрино превращались в электронные слишком быстро и на коротких расстояниях. Это противоречило существующим моделям.
Тогда физики предположили: возможно, существует еще один тип нейтрино — стерильное. Оно не взаимодействует с обычными частицами, кроме как через гравитацию, и потому почти неуловимо. Эта гипотеза стала чрезвычайно популярной — на нее ссылались сотни исследований, а поиски новой частицы надолго определили направление нейтринной физики.

"Стерильное нейтрино долгое время оставалось самым элегантным объяснением несоответствий, наблюдаемых в экспериментах LSND и MiniBooNE", — отмечается в журнале Nature.

MicroBooNE: эксперимент, изменивший представления

Чтобы проверить гипотезу, в 2015 году был создан детектор MicroBooNE — резервуар с 170 тоннами сверхчистого жидкого аргона, охлажденного до -186 °C. Когда нейтрино сталкивается с атомом аргона, возникают заряженные частицы, оставляющие яркие вспышки и следы. Более 5000 фотодетекторов фиксируют такие события с высокой точностью.
Ключевое преимущество установки — способность одновременно регистрировать нейтрино из двух источников: бустерного пучка на расстоянии 470 метров и пучка NuMI на расстоянии 700 метров. Это позволило значительно сократить систематические ошибки и сопоставить результаты в одинаковых условиях.
За шесть лет работы детектор собрал десятки тысяч сигналов. Если бы стерильное нейтрино существовало и имело массу около 1 эВ, MicroBooNE должен был бы обнаружить избыток электронных нейтрино на коротких расстояниях. Однако ничего подобного не выявили.

"Результаты MicroBooNE показывают отсутствие сигнала, который можно было бы связать с существованием стерильного нейтрино. Это ключевое открытие последних лет", — говорится в публикации Nature.

Что показал анализ

После многолетней обработки данных ученые пришли к выводу: одиночное стерильное нейтрино, способное объяснить аномалии LSND и MiniBooNE, отсутствует. Гипотеза исключена с надежностью 95 %.
Такой результат стал переломным моментом: закрылась вся область параметров, где мог скрываться предполагаемый четвертый тип нейтрино.

"Каждый раз, когда нам удается закрыть окно для новой физики, это подталкивает к новым поискам и идеям. Иногда важнее то, чего мы не находим, чем-то, что находим", — сказал профессор Джастин Эванс из Манчестерского университета, один из руководителей проекта.

Эта работа не только закрыла популярную гипотезу, но и задала новое направление исследованиям фундаментальных частиц.

Кто стоял за открытием

В проекте участвовали исследователи из разных стран. Вклад британской команды оказался значительным: доктор Елена Грамеллини руководила анализом данных пучка NuMI, а профессор Роксанна Генетт разработала стратегию поиска короткобазовых осцилляций на этапе создания установки.
Американская группа из Фермилаба обеспечила техническую поддержку и методы регистрации ионизационных треков.

"Мы работаем на передовой науки, и такие эксперименты не только продвигают фундаментальные исследования, но и помогают создавать технологии для будущих открытий", — подчеркнул Мэтью Тупс из Фермилаба.

Что будет дальше

Несмотря на отрицательный результат, загадка аномалий LSND и MiniBooNE остается нерешенной. Возможные объяснения теперь включают более сложные сценарии: несколько стерильных нейтрино, нестандартные взаимодействия, распад частиц или связь с темной материей.
В США уже работает программа Short-Baseline Neutrino с тремя детекторами, а в ближайшие годы должен стартовать гигантский проект DUNE — один из крупнейших в истории нейтринной физики. Технологии, испытанные на MicroBooNE, станут основой для будущих экспериментов и помогут уточнить механизмы осцилляций.

Сравнение подходов к поиску нейтрино

Методы изучения нейтрино отличаются по расстояниям, на которых ведутся наблюдения.
Короткобазовые эксперименты, такие как LSND, MiniBooNE и MicroBooNE, анализируют быстрые переходы между типами частиц на небольших дистанциях.
Длиннобазовые проекты — например, T2K или NOvA — наблюдают осцилляции нейтрино, проходящих сотни километров под Землей.
MicroBooNE объединил преимущества обоих подходов, обеспечив высокую точность и минимизацию систематических ошибок.

Плюсы и минусы эксперимента MicroBooNE

Исследование обладает рядом сильных сторон, но и определенными ограничениями.

Плюсы:

высокая чувствительность жидкого аргона;
два независимых источника нейтрино;
богатая статистика;
использование современных фотодетекторов.

Минусы:

малая масса по сравнению с будущими установками;
дорогая система охлаждения;
сложность обработки ионизационных треков.

Тем не менее MicroBooNE стал эталоном для будущих технологий и методов анализа.

Советы по изучению физики нейтрино

Тем, кто интересуется нейтринной физикой, полезно начать с базовых принципов Стандартной модели. Освоение истории открытия осцилляций и наблюдений Super-Kamiokande и SNO поможет понять фундаментальные механизмы, а следить за проектами DUNE, JUNO и IceCube — увидеть, как развиваются современные исследования.
Отрицательные результаты вроде MicroBooNE столь же важны, как и открытия: они указывают, где искать дальше и какие модели требуют пересмотра.

"Физика нейтрино — это постоянный поиск баланса между тем, что мы видим, и тем, чего не замечаем. В этом и заключается истинная красота науки", — говорится в отчете коллаборации MicroBooNE.