Эксперимент подтверждает аномалию, которая может выявить существование новой частицы
Ученые из Лос-Аламосской национальной лаборатории недавно провели нейтринный эксперимент, который дал результаты, схожие с теми, которые были получены в предыдущих экспериментах, продемонстрировавших знаменитую "галлиевую аномалию". Это экспериментальное подтверждение может означать существование четвертого типа нейтрино, который не взаимодействует с материей.
С конца 1980-х годов Советско-американский галлиевый эксперимент (SAGE) измеряет поток радиохимических солнечных нейтрино с помощью галлиевой мишени - галлий образует германий, когда захватывает нейтрино. Лаборатория расположена на глубине 2100 метров под землей в Баксанской нейтринной обсерватории в Кавказских горах. На этой глубине эксперимент защищен от космического излучения. Но за более чем двадцать лет измерений скорость захвата нейтрино оказалась значительно ниже (примерно на 15%), чем предсказывают стандартные солнечные модели, что физики называют "галлиевой аномалией".
С тех пор физики заинтересовались этой аномалией, которая также была выявлена в ходе эксперимента GALLEX в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Гипотеза о возможном экспериментальном артефакте была устранена, и наблюдаемое несоответствие предполагало неизвестные до сих пор свойства нейтрино. Поэтому Баксанский эксперимент по стерильным переходам (BEST) был специально разработан для изучения этого неожиданного дефицита. Последние измерения физиков обнаруживают ту же аномалию, которую можно интерпретировать как свидетельство осцилляции между состояниями электронного нейтрино (νe) и стерильного нейтрино (νs).
Нейтрино - это элементарные частицы (фермионы) со спином ½, которые электрически нейтральны. Существует три типа или "вкуса": электронное, мюонное и тау-нейтрино. Стерильное нейтрино - это гипотетический тип нейтрино, который не взаимодействует ни с одним из фундаментальных взаимодействий Стандартной модели физики частиц, кроме гравитации. Последние результаты эксперимента BEST могут стать доказательством существования этого нового аромата или подчеркнуть необходимость новой интерпретации одного из аспектов Стандартной модели физики частиц.
"Это определенно подтверждает аномалию, которую мы наблюдали в предыдущих экспериментах. Но неясно, что это значит. В настоящее время имеются противоречивые результаты по стерильным нейтрино. Если результаты покажут, что фундаментальная ядерная или атомная физика недостаточно хорошо изучена, это тоже будет очень интересно", — сказал Стив Эллиотт, старший аналитик одной из групп, оценивающих данные, и сотрудник физического отдела Лос-Аламосской лаборатории.
В эксперименте BEST исследователи использовали 26 облученных дисков хрома 51 - синтетического радиоизотопа хрома, источника 3,4 мегакюри электронных нейтрино - для облучения двух вложенных мишеней, двухслойного галлиевого резервуара (в предыдущих экспериментах использовался только один резервуар).
В результате реакции между электронными нейтрино от хрома 51 и галлия образуется изотоп германия 71. Это производство измерялось с регулярными интервалами по 10 раз в каждом из двух отсеков; две зоны производства были разделены примерно одним метром, что позволило обнаружить потенциальное явление осцилляции нейтрино на коротких расстояниях.
Как и в предыдущих экспериментах, BEST подверг тщательной проверке свою методологию, чтобы убедиться, что ни в одном аспекте исследования (таком как размещение источника излучения или работа системы подсчета) не было допущено ошибок. Результаты, какими бы удивительными они ни были, могут быть объяснены только самой реакцией.
Компонент темной материи?
После вычитания компонента, вызванного солнечными нейтрино, измеренная скорость производства германия 71 составила 54,9 ± 2,5 ядер в день во внутреннем резервуаре и 55,5 ± 2,7 ядер в день во внешнем резервуаре. Эти цифры на 20-24% ниже, чем ожидаемые при теоретическом моделировании, сообщают исследователи. Это расхождение согласуется с аномалией, наблюдаемой в предыдущих экспериментах, и эти скорости согласуются с относительно большими νe -> νs осцилляциями.
Оказывается, до сих пор гипотетическое стерильное нейтрино может быть важной частью темной материи - гипотетической материи, составляющей почти 27% плотности энергии Вселенной и способной объяснить ряд астрофизических наблюдений. "Однако эта интерпретация может нуждаться в дальнейшей проверке, поскольку измерения для каждого резервуара были примерно одинаковыми, хотя и слабее, чем ожидалось", — отмечает команда.
Аномалия также может быть объяснена ошибочными начальными данными, что означает, что сама физика должна быть переработана, о чем уже упоминал Стив Эллиотт. В частности, физик указывает, что "сечение" электронного нейтрино никогда не измерялось при таких энергиях - сечение относится к вероятности взаимодействия нейтрино, которая увеличивается с энергией. "Например, плотность электронов на атомном ядре является теоретическим требованием для измерения сечения, но его трудно подтвердить", — поясняется в заявлении лаборатории.
Если подобные эксперименты будут проводиться в будущем, они могут включать другой источник излучения с более высокой энергией и большим периодом полураспада, а также чувствительность к более коротким длинам волн колебаний, говорят исследователи. Поскольку в настоящее время сотрудничество США и России в Баксанской лаборатории невозможно, неизвестно, будут ли когда-нибудь возобновлены эти исследования.