Десятилетиями странные результаты экспериментов намекали: стерильное нейтрино существует. Оно разом объясняло бы сразу несколько загадок. Новые эксперименты эту надежду похоронили — и физики остались наедине с аномалиями, которые по-прежнему нечем объяснить. 

Нейтрино оказывают минимальное влияние на окружающий мир, какое только может оказывать частица. У них почти нет массы, а электрического и цветового заряда нет вовсе. В результате нейтрино не связаны с большинством сил природы; они могут проскальзывать сквозь целые планеты и звезды, не сталкиваясь ни с одним атомом.

Зато судьбы учёных они меняют легко.

В конце 1990-х годов, когда физики неожиданно обнаружили, что нейтрино обладают массой, Тьерри Лассерр оставил космологию, чтобы полностью посвятить себя изучению элементарных частиц. «Это было так захватывающе, что я просто не смог устоять», — сказал Лассерр, ныне физик в Институте ядерной физики Общества Макса Планка в Гейдельберге, Германия. А Марк Росс-Лонерган собирался стать метеорологом, пока в 2010 году случайно не столкнулся с физикой частиц и не изменил своё решение. Лассерр, Росс-Лонерган и тысячи других учёных посвятили карьеру исследованию этой почти инертной частицы.

Больше десяти лет казалось, что их работа вот-вот приведёт к прорыву. Эксперименты сообщали о странных явлениях, в которых нейтрино появлялись и исчезали. Эти результаты, наряду с загадочной массой нейтрино, указывали на одно потенциальное объяснение: «стерильный» тип нейтрино определённой массы, по-видимому, скрывался за кулисами, оставаясь необнаруженным. 

Исследователи годами проводили всё более сложные эксперименты, чтобы обнаружить этого «чужака». Однако, столкнувшись с растущим числом нулевых результатов, особенно в исследованиях, опубликованных в конце 2025 года, большинство физиков теперь сходятся во мнении, что этого стерильного нейтрино не существует. «На мой взгляд, это смертельный приговор для стерильных нейтрино», — сказал Росс-Лонерган, физик из Колумбийского университета и соавтор одного из последних исследований.

Эти открытия лишь углубили тайны нейтрино. Почему в одних экспериментах они как будто появляются, а в других исчезают, никто не объяснил. А раз у них есть масса — значит, они соприкасаются с чем-то, чего мы пока не знаем. Для физиков важность этой частицы по-прежнему остаётся  высокой.

«Придётся включить фантазию», — сказал Матеус Хостерт, физик из Университета Айовы.— Сейчас в нашей области очень интересно, особенно теоретикам вроде меня: нам предстоит задавать сложные вопросы, опираясь на все эти данные».  

Превращения нейтрино и тайна их массы

Всё, что физики знают о нейтрино, они узнали благодаря экспериментам, результаты которых не совсем совпадали. «Вся область выросла из аномалий», — сказал Росс-Лонерган.

Вольфганг Паули впервые предположил существование нейтрино в 1930 году, изучая радиоактивные распады. При этих распадах атом одного элемента превращается в другой, высвобождая оставшуюся энергию в виде электрона. Но при некоторых распадах электрону не хватало энергии, чтобы баланс сошёлся. Паули предположил, что какая-то дополнительная, невидимая частица должна уносить оставшуюся энергию. Эта частица, которую он назвал «маленькой нейтральной» (little neutral one), не имела бы электрического заряда и массы. Она соприкасалась бы с атомами нашего мира только через слабое взаимодействие, которое делает возможным радиоактивный распад, превращая определённые субатомные частицы в другие. 

Однако слабое взаимодействие настолько слабое, что нейтрино может пройти световые годы сквозь свинец, не изменив ни единого атома. Паули поспорил на ящик шампанского, что никто никогда его не обнаружит. Но примерно 20 лет спустя изобретательные экспериментаторы зафиксировали недвусмысленные следы нейтрино в национальной лаборатории Саванна-Ривер-Сайт в Южной Каролине.

Вскоре после этого физики начали размышлять о том, что они могли бы узнать из этих почти невидимых вестников слабого взаимодействия. Они переключили своё внимание с искусственных ядерных реакторов на естественный — Солнце.

В конце 1960-х Рэймонд Дэвис-младший собрал в шахте почти в полутора километрах под землёй резервуар на 380 кубометров, заполненный тетрахлорметаном. Там он собирался изучать солнечные нейтрино. Джон Бахколл рассчитал, сколько нейтрино должен поймать детектор. Тот поймал втрое меньше. Либо Солнце не оправдало ожиданий, либо нейтрино пропали.

На разрешение этой аномалии ушло 30 лет. Но когда ответ нашли — благодаря эксперименту Super-Kamiokande в Японии и Нейтринной Обсерватории Садбери (SNO) в Канаде, это стало настоящей сенсацией. 

Нейтрино исчезали, потому что меняли свой тип. Нейтрино бывают трёх типов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. А эксперименты Super-Kamiokande и SNO показали, что нейтрино одного типа, видимые в эксперименте Дэвиса, «осциллируют», превращаясь в нейтрино другого типа, которые эксперимент Дэвиса наблюдать не мог. Открытие стало неожиданным: Стандартная модель — теория, описывающая все известные свойства всех известных частиц, — осцилляции запрещала. Осцилляции могли происходить только в том случае, если массы трёх типов нейтрино отличались друг от друга. Но предполагалось, что все нейтрино имеют одинаковую массу: нулевую.

Дело в том, что Стандартная модель описывает частицу как рябь, распространяющуюся в квантовом поле в пространстве, а массивную частицу — как две перекрывающиеся ряби, распространяющиеся в двух полях. Существует «левостороннее» поле, порождающее частицы, имеющие левую спиральность, и «правостороннее» поле, порождающее частицы, имеющие правую спиральность. 

Объясним это понятие. Спиральность частицы является положительной («правой»), если направление спина частицы совпадает с направлением её движения, и отрицательной («левой»), если направления спина и движения частицы противоположны. Таким образом, стандартные часы с вектором спина, определяемым вращением их стрелок, имеют левую спиральность, если они движутся так, что циферблат обращён вперёд, и правую, если циферблат обращён назад. 

Математически спиральность является знаком проекции вектора спина на вектор импульса: «левая» — отрицательная, «правая» — положительная.

Электрон, например, имеет массу, потому что он представляет собой левостороннюю рябь, связанную с правосторонней рябью. Но экспериментаторы наблюдали только левосторонние нейтрино, поэтому считалось, что эта частица безмассовая — до тех пор, пока Super-Kamiokande и SNO не доказали обратное.

Таким образом, аномалии XX века достигли кульминации в интриге, которая осталась нерешённой: почему нейтрино обладают массой? 

Одна частица на все загадки

Одно из простых объяснений — четвёртый тип нейтрино — правосторонний и поэтому практически невидимый для экспериментов на сегодняшний день. 

Слабое взаимодействие устроено странно: оно действует только на левосторонние поля: после ядерных распадов появляются только левосторонние нейтрино. Значит, правосторонние нейтрино вообще не чувствовали бы ни одну из сил Стандартной модели. Они были бы способны взаимодействовать с окружающим миром лишь при помощи гравитации. Поэтому учёные и называют такие нейтрино стерильными.

Есть и другой вариант: левосторонние нейтрино могут оказаться слегка «двурукими» и, следовательно, способными приобретать массу. Но эта идея нарушает Стандартную модель другим способом, и простейшее решение — добавить ещё одно слегка «двурукое», но в основном правостороннее, стерильное нейтрино. 

Таким образом, два простейших логических пути объяснения массы нейтрино привели к одному и тому же результату. «Теоретик во мне говорит, что это идеальное стечение обстоятельств, и очевидно, что где-то существуют стерильные нейтрино», — сказал Росс-Лонерган.

Тем временем на рубеже веков новое поколение экспериментов выявило новое поколение аномалий. Почти все из них можно было интерпретировать как намёки на существование определённого типа стерильных нейтрино.

С 1993 по 1998 год в эксперименте в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории под названием жидкий сцинтилляционный нейтринный детектор (LSND) было обнаружено то, что выглядело как слишком много электронных нейтрино в пучке, состоящем в основном из мюонных нейтрино. Позже эксперимент MiniBooNE в Фермилабе показал то же самое — слишком большое количество электронных нейтрино. Так возникли аномалии LSND и MiniBooNE.

Также в 1990-х годах физики в России и Италии разместили высокорадиоактивные источники рядом с огромными резервуарами с жидким галлием — металлом, особенно чувствительной к нейтрино, — чтобы проверить, работают ли резервуары как детекторы нейтрино. Они работали, но количество электронных нейтрино было примерно на 20% занижено. Это явление получило название галлиевой аномалии. Более совершенный эксперимент в 2022 году обнаружил дополнительные доказательства существования галлиевой аномалии. 

В 2011 году физики обнаружили, что недооценивали количество электронных нейтрино, которые должны образовываться в ядерной реакции, на несколько процентов. Получалось, что все предыдущие десятилетия детекторы у реакторов измеряли количество нейтрино, которое считалось верным, — а на самом деле их не хватало. Это расхождение стало известно как аномалия реакторных антинейтрино.

Все три признака указывали на осцилляции нейтрино — они появлялись и исчезали. Но теперь превращение шло не за миллионы километров от Солнца до Земли: нейтрино, похоже, успевали изменить свой тип, пересекая комнату.

Скорость осцилляций нейтрино зависит от разницы между их массами. Колебания между тремя типами нейтрино проявляются главным образом на больших расстояниях, поскольку их массы почти одинаковы — близки к нулю. Но осцилляции на расстоянии нескольких метров можно объяснить существованием четвёртого, более тяжёлого нейтрино — такого, которое было бы очень похоже на правосторонний тип, необходимый теоретикам для объяснения массы нейтрино. В частности, стерильное нейтрино массой в один или два электрон-вольта (единица массы и энергии), казалось, связывало всё воедино. 

«Эти аномалии представляли собой совершенно разные типы доказательств, но все они могли быть объяснены одним и тем же типом стерильных нейтрино», — сказал Лассерр.

Учёные искали это нейтрино по всему миру. Они искали его подо льдом в Антарктиде, рядом с ядерными реакторами и в шахтах. В 2007 году немецкие физики перевезли 200-тонный детектор в форме дирижабля через Средиземное море, совершив окольное путешествие в лабораторию на другом конце страны — эксперимент с тритием и нейтрино в Карлсруэ, или KATRIN. В это время учёные из Фермилаба модернизировали детектор MiniBooNE, запустив новый эксперимент под названием MicroBooNE.

Результаты наконец получены. Поиски не увенчались успехом, и специалисты по нейтрино ломают голову над тем, что делать дальше. 

Приговор гипотезе 

В 2000 году, когда осцилляции доказали наличие массы у нейтрино, Лассерр только что защитил докторскую диссертацию по космологии. Заинтригованный, он погрузился в мир нейтрино и в 2011 году помог открыть реакторную аномалию. Несколько лет спустя он присоединился к KATRIN в поисках стерильных нейтрино.

KATRIN использует свой детектор размером с дом для поиска электронов, высвобождающихся при радиоактивном распаде атомов трития. Как когда-то Паули, участники проекта скрупулёзно считают энергию электронов — и по недостаче вычисляют, сколько ушло на рождение нейтрино. 

Главная цель эксперимента — определить минимальную энергию, нужную для рождения нейтрино, то есть его массу покоя. В апреле 2025 года, после изучения сотен миллионов электронов, коллаборация обнаружила, что масса нейтрино не может превышать половины электрон-вольта. (Обычный электрон, для сравнения, имеет массу около полумиллиона электрон-вольт.)

Лассерр добавил, что для поиска стерильных нейтрино этот эксперимент — «идеальный инструмент». Если бы такие более тяжёлые нейтрино существовали, они иногда отнимали бы дополнительную энергию у электронов. Но в анализе, опубликованном в декабре 2025 года, учёные из KATRIN не обнаружили никаких признаков стерильного нейтрино с массой около электрон-вольта. Лассерр назвал это «важным шагом, противоречащим идее о стерильных нейтрино» как объяснению реакторной аномалии. Теперь он подозревает, что реакторная аномалия возникает из-за незнания точного количества ожидаемых нейтрино, и это мнение разделяют многие физики.

Хотя обнаружение стерильного нейтрино было бы захватывающим событием, Лассерр сказал, что он благодарен хотя бы за ощущение завершённости. «Я очень рад, потому что у нас нет каких-то неоднозначных результатов, — сказал он. — Я бы не хотел умереть, оставив всё это в полной неопределённости».

Росс-Лонерган же не удовлетворён этим ответом  и продолжает ломать голову над загадками LSND и MiniBooNE.

Росс-Лонерган анализирует данные с прибора MicroBooNE, который проверяет работу MiniBooNE. Он использует технологии нового поколения, способные отслеживать субатомные «фейерверки», вызываемые нейтрино. «Мы можем фотографировать отдельные атомы, которые распадаются, — говорит Росс-Лонерган. — Мне никогда не надоедает на них смотреть». 

Сначала коллаборация MicroBooNE подсчитала события, в которых появлялись электроны (и, следовательно, электронные нейтрино), но ничего необычного не обнаружила. В прошлом году они проанализировали нейтрино, исходящие из двух разных пучков, но так и не нашли следов электрон-вольтных стерильных нейтрино.

Результаты KATRIN и MicroBooNE, наряду с данными других экспериментов и убедительными результатами космологических исследований, сходятся в одном: физики не могут объяснить всё одной-единственной идеей. Теория о единственном электрон-вольтном стерильном нейтрино неверна.

Таким образом, одна загадка разделилась на множество других. Реакторная аномалия всё больше кажется не связанной с нейтрино. Но другие эксперименты — LSND, MiniBooNE и эксперимент с галлием — остаются необъяснёнными. «Статистическая значимость сигналов очень высока, — говорит  Джанет Конрад, физик изучающий нейтрино из Массачусетского Технологического Института. «Это точно не электрон-вольтное стерильное нейтрино. Тогда что же это?» 

Поиск новых объяснений

Возможно, LSND, MiniBooNE и галлиевый эксперимент — просто неудачное совпадение. Аномалии в физике происходят регулярно, и физики обычно находят причину в едва заметных систематических погрешностях. «Мы привыкли относиться к аномалиям с большим скепсисом, и я думаю, это правильно», — сказал Андре де Гувеа, физик-теоретик из Северо-Западного университета, изучающий нейтрино. 

Но до сих пор никому не удалось придумать даже целую совокупность ошибок, которые могли бы объяснить аномалию MiniBooNE. «Люди очень, очень стараются её устранить», — сказала Конрад. Галлиевую аномалию также трудно объяснить.

Возможно и другое:  аномалии — как по отдельности, так и в совокупности — указывают на примесь новых нейтрино, но не самую простую, вызванную одним электрон-вольтным стерильным нейтрино. Возможно, стерильных нейтрино не одно, а два, три или больше. Или они гораздо тяжелее — не один электрон-вольт, а много. Объяснит ли это LSND, MiniBooNE и галлиевую аномалию, физики пока сказать не могут: не хватает ни данных, ни вычислительных мощностей.

У MicroBooNE ещё много работы. В течение следующего десятилетия учёные получат огромный объём данных благодаря новым исследованиям, включая уже работающий реакторный эксперимент в Китае под названием JUNO и эксперимент DUNE, проводимый Фермилабом в США, который должен начать сбор данных в 2030-х годах. Сама Конрад возглавляет эксперимент IsoDAR, который будет специально искать быстрые осцилляции нейтрино, вызванные любым количеством лёгких стерильных нейтрино. Она надеется запустить его в 2028 году.

Благодаря этой новой информации специалисты рассчитывают составить гораздо более ясную картину мира нейтрино. «Обычно мы получаем либо немного хороших данных, либо много плохих данных, — сказал де Гувеа. — Поэтому большое количество хороших данных — это для нас новый мир».

Чем бы ни кончилась история с аномалиями, масса нейтрино уже означает: эти частицы напрямую связаны с чем-то неизвестным. А стерильные нейтрино, если они существуют в какой-либо обнаруживаемой форме, могут быть только началом. Физики знают, что Стандартная модель неполна — например, в ней отсутствует большая часть массы Вселенной. Беда в том, что разглядеть слабые новые эффекты на фоне известных частиц и сил очень трудно. Хостерт из Университета Айовы сравнивает это с тем, как если бы вы пытались различить слабый гул кондиционера сквозь шум манхэттенского движения.

Но едва ли обычные нейтрино, а также ещё более незаметные стерильные нейтрино, «предлагают гораздо более тихое место» для наблюдения, говорит Хостерт. Конечно, хотя он надеется, что текущие и будущие эксперименты уловят этот слабый гул, он понимает, что это не гарантирует успеха.

В условиях такой неопределённости некоторые физики выбирают смирение. «Может быть неприятно, что за свою жизнь вы не добьётесь большого прогресса», — сказал де Гувеа. Но размышления о возможных последствиях аномалий могут быть поучительными, добавил он, «и, между нами, мы все здесь ради того, чтобы узнать что-то новое».

Конрад тем временем чувствует прилив энергии от решения сложных задач. Она пришла в науку в эпоху таких же запутанных аномалий, которые четверть века назад привели к открытию массы нейтрино. Ещё одна судьба, связанная с этой странной частицей. И она считает, что сейчас эта область науки полна таких же возможностей, как и тогда. «Я думаю, что самые интересные времена — это трудные времена, — сказала она. — А иначе зачем вообще этим заниматься, если не любишь по-настоящему?» 

Автор перевода @arielf

НЛО прилетело и оставило здесь промокод для читателей нашего блога:
-15% на заказ нового VDS — HABRFIRSTVDS.

Положение об акции