Одной из наиболее интересных задач современной физики является определение порядка масс нейтрино. Физики из кластера передового опыта PRISMA+ в Университете Иоганна Гутенберга в Майнце (JGU) играют ведущую роль в новом исследовании, которое указывает на то, что загадка упорядочения массы нейтрино может быть окончательно решена в ближайшие несколько лет. Это произойдет благодаря совместному проведению двух новых нейтринных экспериментов, которые находятся в стадии разработки-модернизации эксперимента IceCube на Южном полюсе и подземной нейтринной обсерватории Цзянмэнь (JUNO) в Китае. Скоро они дадут физикам доступ к гораздо более чувствительным и дополняющим друг друга данным о порядке масс нейтрино.

Нейтрино — хамелеоны среди элементарных частиц.

Нейтрино производятся естественными источниками — например, в недрах Солнца или других астрономических объектов, — а также в огромных количествах атомными электростанциями. Однако они могут проходить сквозь обычную материю — такую как человеческое тело —практически беспрепятственно, не оставляя следов своего присутствия. Это означает, что необходимы чрезвычайно сложные методы, требующие использования массивных детекторов, для наблюдения случайных редких реакций, в которых участвуют эти «призрачные частицы».

Нейтрино бывают трех различных типов: электронные, мюонные и тау-нейтрино. Они могут меняться от одного типа к другому, и это явление ученые называют «нейтринные осцилляции». Массу частиц можно определить по наблюдениям за колебательными паттернами. В течение многих лет физики пытались установить, какой из трех типов нейтрино является самым легким, а какой — самым тяжелым. Профессор Майкл Вурм, физик из кластера передового опыта PRISMA+, который играет важную роль в проведении эксперимента JUNO в Китае, объясняет: «Мы считаем, что ответ на этот вопрос внесет значительный вклад, и позволит нам собрать долгосрочные данные о нарушении симметрии материи и антиматерии в секторе нейтрино. Затем, используя эти данные, мы надеемся выяснить раз и навсегда, почему материя и антиматерия не взаимоуничтожились полностью после Большого Взрыва.»

Глобальное сотрудничество выгодно

Оба крупномасштабных эксперимента используют очень разные и взаимодополняющие методы для того, чтобы решить головоломку упорядочения массы нейтрино. «Очевидный подход состоит в том, чтобы объединить ожидаемые результаты обоих экспериментов», — говорит профессор Себастьян Безер из кластера PRISMA+, также занимающийся исследованием нейтрино и являющийся одним из основных участников эксперимента IceCube.

Сказано — сделано. В журнале Physical Review D исследователи из IceCube и коллаборации JUNO опубликовали совместный анализ своих экспериментов. Для этого авторы смоделировали прогнозируемые экспериментальные данные в зависимости от времени измерения для каждого эксперимента. Результаты варьируются в зависимости от того, находятся ли массы нейтрино в нормальном или обратном (инвертированном) порядке. Затем физики провели статистический тест, в котором они применили комбинированный анализ к моделируемым результатам обоих экспериментов. Это выявило степень чувствительности, с которой оба эксперимента в сочетании могли предсказать правильный порядок или, скорее, исключить неправильный порядок. Поскольку наблюдаемые паттерны колебаний в JUNO и IceCube зависят от фактического упорядочения массы нейтрино специфическим для каждого эксперимента образом, объединенный тест имеет различающую способность значительно выше, чем отдельные экспериментальные результаты. Таким образом, эта комбинация позволит окончательно исключить неправильное упорядочение массы нейтрино в течение периода измерения от трех до семи лет.

«В этом случае целое действительно больше, чем сумма его частей, — заключает Себастьян Безер. — Здесь мы имеем ясное доказательство эффективности комплементарного экспериментального подхода, когда речь заходит о решении оставшихся нейтринных головоломок.» «Ни один эксперимент не может достичь этого сам по себе, будь то обновление IceCube, JUNO или любой другой из запущенных в настоящее время, — добавляет Майкл Вурм. — Более того, это просто показывает, чего могут достичь физики, работая вместе.»

Больше статей читайте на моём Телеграм-канале Quant (@proquantum)
Канал, посвящённый физике, квантовой механике и астрофизике.
Подписывайтесь и расширяйте свои знания!