В физике периодически всплывают соблазнительные намёки на существование стерильных (инертных) нейтрино – теоретическом четвёртом типе нейтрино, отличающихся от трёх остальных, предсказанных Стандартной моделью. Исследователи пытаются найти его при помощи нейтринной обсерватории IceCube (Ледяной куб). Это мощный детектор нейтрино в Антарктике, способный распознавать приходящие из космоса нейтрино. Может ли так случиться, что мы обнаружим эту частицу и устремимся в новую захватывающую эру физики?

Нет. Поиски на IceCube ни к чему не привели, судя по опубликованным в начале августа 2016 года результатам. Отсутствие обнаружений не означает, что стерильных нейтрино не существует, но накладывает на них самые строгие ограничения, сильно сужая диапазон возможных энергий и определяя направление будущих поисков.

Если бы стерильные нейтрино нашлись, они бы объяснили аномалии в старых исследованиях, открыли бы нам новую физику за пределами Стандартной модели и обеспечили бы ключи к таким загадкам, как природа тёмной материи и дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной. «Если добавить четвёртое нейтрино, всё меняется»,- говорит Фрэнсис Хальцен [Francis Halzen], начальник проекта IceCube и один из авторов работы.

Призрачное присутствие

Чтобы почувствовать природу нейтрино, нужно лишь представить, что за время, пока вы читали это предложение, через ваше тело прошло не менее 100 триллионов нейтрино. Они без сопротивления проходят через твёрдую материю, поскольку не взаимодействуют посредством электромагнитных сил. Электромагнитные силы, в числе прочего, соединяют атомы вашего тела и не дают вам провалиться сквозь пол.

Одна из причин возможности обнаружения нейтрино состоит в том, что они подвержены слабым ядерным взаимодействиям. Такие взаимодействия происходят очень редко: нейтрино сталкивается с атомом при проходе сквозь материю, в результате чего появляется вспышка. За этим и наблюдают современные детекторы нейтрино, включая IceCube.

Стерильные нейтрино были бы ещё более призрачными, чем обычные, поскольку они не испытывают даже слабого взаимодействия, поэтому обнаружить их этим способом невозможно. У них есть масса, так что они взаимодействуют через гравитацию, но детектор на этом принципе построить нельзя. Стерильные нейтрино могут пролетать через ваше тело прямо сейчас, но этого никак не узнать. По крайней мере, напрямую.

Кого звать на помощь

Это не означает, что мы обречены на вечное неведение. Нейтрино постоянно осциллируют и меняют «ароматы» – переходят между состояниями электронного нейтрино, мюонного нейтрино и тау-нейтрино. Стерильные нейтрино могут превращаться в обыкновенные, что позволяет обнаруживать их присутствие.

Нейтрино, проходящие через очень плотную материю, такую, как земное ядро, довольно часто взаимодействуют с материей. Из-за этого их схема осцилляции меняется и они приходят в резонанс, который повышает шансы их превращения в стерильные нейтрино, поэтому исследователи ищут нейтрино, приходящие под углом, свидетельствующим об их проходе через ядро земли и дальнейшем попадании в детектор. Такие нейтрино появляются в атмосфере над северным полушарием благодаря космическому излучению, а затем проходят сквозь планету и попадают в IceCube.

«Осцилляции смешивают все четыре аромата, в которых есть стерильные нейтрино и все остальные ароматы, так что если вы будете играть с одним из них, это повлияет на все остальные»,- говорит Хальцен.

Нейтрино, превратившиеся в стерильные, в конце концов, исчезнут – они не появятся на детекторе. Если несколько нейтрино, проходящих через ядро, превратятся в стерильные, то в энергии приходящих мюонных нейтрино будет провал, как раз в месте, соответствующем массе стерильных нейтрино.

К счастью, эта энергия – порядка 1 ТэВ – легко попадает в чувствительность IceCube, покрывающую энергии от 10 ГэВ до 10 ПэВ. Если бы стерильные нейтрино существовали в этом энергетическом промежутке, IceCube бы их обнаружил.

Поиски охватывают данные, полученные за два года, во время которых нейтрино, перемещающиеся в нужном направлении, улавливались каждые шесть минут. Данные были проанализированы двумя независимыми группами, пришедшими к одному заключению: не было обнаружено провала энергии в мюонных нейтрино, который бы свидетельствовал о наличии стерильных.

Загадки и возможности

Сначала считалось, что нейтрино не имеют массы и передвигаются со скоростью света. Это предсказывает стандартная модель. Но после 30 лет неопределённости были обнаружены осцилляции нейтрино. Для безмассовых частиц они были бы невозможны, поэтому масса у них есть.

«Пока что это единственный признак того, что Стандартная модель не является полной,- говорит Хальцен. – Должна быть физика за пределами Стандартной модели. Конкретно, новая физика должна прятаться в нейтрино и она поможет объяснить величайшие загадки современности».

Эти загадки, в частности, существование тёмной материи и дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной, являются частью мотивации для физиков, занимающихся поисками вне Стандартной модели. И хотя Стандартная модель удивительно успешна, она не смогла охватить большие части Вселенной. «Стерильные нейтрино могли бы быть путём к пониманию этих задач»,- говорит Хальцен.

Большой адронный коллайдер также используют для поиска путей вне Стандартной модели и он также недавно не смог обнаружить следов новой частицы, которые в прошлом году выглядели так многообещающе. «Специалисты по нейтрино и БАК параллельно атакуют Стандартную модель в поисках новых ответвлений физики»,- говорит Хальцен.

Путь вперёд

Неудача в обнаружении стерильных нейтрино не отменяет их существования, но каждый раз, когда поиск их не обнаруживает, вера в их существование уменьшается. «Люди видят намёки на существование стерильных нейтрино везде, как намёки на то, что Элвис жив,- говорит Хальцен. – Существует набор намёков и теоретики уверены в их существовании».

Благодаря таким ценным наградам исследователи не готовы пока сдаваться. «В отсутствие открытий мы всё равно продолжаем поиски и, конечно, IceCube изучает нейтрино на большом динамическом диапазоне, и мы продолжим изучение всех этих нейтрино на всех энергиях в надежде, что где-то Стандартная модель даст слабину, и мы начнём находить новую физику»,- говорит Хальцен в приведённом видео.

Кроме того, исследователи показали, что IceCube можно использовать для диапазона работы, выходящей за одни лишь поиски космических нейтрино.

«Этот результат подчёркивает разносторонность нейтринной обсерватории,- говорит Ольга Ботнер [Olga Botner], представитель коллаборации IceCube и ещё один из авторов работы. – Это не только инструмент исследования интенсивной Вселенной, но и возможность исследования свойств самих нейтрино».