Эксперимент в национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб) близ Чикаго обнаружил гораздо больше электронных нейтрино, чем было предсказано. Это событие может стать вестником совершенно новой элементарной частицы, стерильного нейтрино, хотя многие физики остаются скептически настроенными.

В резервуаре MiniBooNE фотоэлементы улавливают свет, появляющийся, когда нейтрино взаимодействуют с атомными ядрами

Физики удивлены и шокированы новым отчётом эксперимента с нейтрино в Фермилаб. Эксперимент MiniBooNE обнаружил гораздо больше нейтрино определённого типа, чем ожидалось – и проще всего это явление объяснить существованием новой элементарной частицы: стерильного нейтрино, ещё более скрытной и странной частицы, чем три известных типа нейтрино. Результат, судя по всему, подтверждает аномальные результаты старого эксперимента, для подтверждения которого MiniBooNE и был построен.

Стойкость нейтринной аномалии очень радует физиков, сказал Скотт Додельсон из Университета Карнеги-Мэллон. Это «говорит о том, что происходит действительно что-то интересное», — добавил Анзи Слозар из Национальной лаборатории в Брукхэйвене.

Но что именно, сказать никто не может.

«Меня очень заинтересовал результат, но я не готов кричать „Эврика!“ – сказала Джанет Конрад, специалист по физике нейтрино из MIT, и член коллаборации MiniBooNE.

Существование стерильных нейтрино произвело бы революцию в физике на всех уровнях. Оно бы, наконец, нарушило Стандартную модель физики частиц, которая держится с 1970-х. Оно так же потребовало бы „новую стандартную модель космологии, — сказал Додельсон. – Есть и другие трещины в стандартной картине мира, — добавил он. – Парадокс нейтрино может открыть нам путь к новой, улучшенной модели“.

Нейтрино – крохотные частицы, и миллиарды их проходят наши тела насквозь ежесекундно, но редко как-то взаимодействуют с ними. Они постоянно колеблются между тремя „сортами“ – электронным, мюонным и тау. В эксперименте MiniBooNE луч мюонных нейтрино выстреливает по направлению гигантской цистерны с нефтяным маслом. По пути к цистерне некоторые из мюонных нейтрино должны превращаться в электронные со скоростью, определяемой их разностью масс. Затем MiniBooNE отслеживает прибытие электронных нейтрино, производящих характерные вспышки излучения в тех редких случаях, когда они взаимодействуют с молекулами масла. За 15 лет работы MiniBooNE зарегистрировал на несколько сотен электронных нейтрино больше, чем ожидалось.

Простейшим объяснением этого неожиданно большого количества будет то, что некоторые мюонные нейтрино осциллируют в другой, более тяжёлый сорт нейтрино – стерильный, который не взаимодействует ни с чем, кроме других нейтрино – и что некоторые из этих тяжёлых стерильных нейтрино затем осциллируют в электронные. Большая разница в массах приводит к большему количеству осцилляций и большему количеству обнаружений.


Цистерна MiniBooNE имеет 12 м в диаметре и выложена 1520 фотоэлементами

Жидкий сцинтилляционный счётчик нейтрино (LSND) в Лос-Аламосе обнаружил сходную аномалию в 1990-х, из-за чего и потребовалось строительство MiniBooNE. Однако в других экспериментах с нейтрино, которые работают по другим принципам, нежели LSND и MiniBooNE, не смогли найти чётких признаков наличия предполагаемых стерильных нейтрино. „Это проклятие нашей работы – некоторые эксперименты видят что-то, а другие этого не видят“, — сказал Вернер Родейохан из Института ядерной физики Макса Планка.

Если объяснением новых результатов действительно будут стерильные нейтрино, то физики пока не могут понять, как совместить свойства этих новых частиц со всем остальным, что нам известно. Возможно, наиболее неприятным фактом служит тот, что при наблюдениях света, приходящего к нам из ранней Вселенной, говорит о том, что в то время существовало всего три сорта нейтрино. Чтобы понять смысл результатов LSND, MiniBooNE и других экспериментов, „требуется некая совершенно новая теоретическая платформа“, — сказал Слозар.

Более того, конкретно те стерильные нейтрино, которые гипотетически способны уложиться в данные, полученные на MiniBooNE, не решают никаких загадок, из-за которых физики вообще начали строить теории о существовании подобных частиц. Стерильные нейтрино, будучи достаточно тяжёлыми, могли бы объяснить невидимую „тёмную материю“, которая, судя по всему, окутывает галактики. Они бы объяснили, почему электронные, мюонные и тау нейтрино такие лёгкие, при помощи математического трюка под названием „механизм качелей“ [seesaw mechanism]. Но с массой менее 1 эВ предполагаемым стерильным нейтрино на MiniBooNE недостаёт массы для описанных целей. „У нас не было бы причин ожидать наличия стерильных нейтрино [массой в] 1 эВ, — сказал Мэтью Бакли, специалист по физике частиц из Ратгерского университета. – Но не то, чтобы Вселенную в прошлом это останавливало от того, чтобы добавить нам новых частиц“.

Путаница привела многих экспертов к тому, чтобы сдержать оптимизм и начать подозревать, что MiniBooNE и LSND пали жертвами неизвестной ошибки. Фрейя Блекман, физик из Свободного университета Брюсселя, утверждает, что эксперименты могли систематически недооценивать скорость, с которой нейтральные пионы распадаются в масляной цистерне MiniBooNE – а эти события имитируют сигналы от электронных нейтрино.

»Ясно, что тут необходимо в чём-то разобраться, и я надеюсь, что это окажется четвёртый нейтрино, — сказал Нил Вайнер, физик-теоретик из Нью-Йоркского университета. – Учитывая это, вспомним, что это была бы первая частица, открытая за пределами Стандартной модели, поэтому порог для доказательств её существования, очевидно, очень высок". Пока, сказал он: «Я склоняюсь к подходу „подождём – увидим“.

Более определённый ответ появится в будущих экспериментах, включая IsoDAR, предложенный Конрад и многими её коллегами. Вместо того, чтобы подсчитывать количество нейтрино определённого сорта на конце луча, он будет видеть, как нейтрино колеблются туда и сюда, между разными сортами, во время путешествия, что даст более полную картину осцилляций. „Я бы пока не стала ставить свои деньги на этот проект, поскольку этот избыток нейтрино – просто пятно на графике, — сказала Конрад. – Что, если пятно может быть вызвано чем-то ещё? Чтобы по-настоящему убедиться в этом, мне нужно увидеть эти предсказанные колебания с хорошей статистической значимостью“.