В Институте обсудили экспериментальное указание на существование стерильного нейтрино

Среда, 30 сентября 2020

В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ состоялся семинар, на котором обсудили возможное указание на проявление четвертого типа нейтрино. Заведующий Отделом нейтронной физики Отделения нейтронных исследований Института член-корреспондент РАН Анатолий Павлович Серебров рассказал о многообещающих результатах эксперимента по поиску стерильного нейтрино. Сотрудники Института обсудили, что будет означать открытие стерильного нейтрино для физической картины мира.

В Стандартную Модель физики частиц входят три безмассовых типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-лептонное (νeνμ и ντ). Обнаружение нейтринных осцилляций свидетельствует о наличии у нейтрино масс. Феномен нейтринного смешивания теоретически описывается массами так называемых массовых состояний (m1m2 и m3) и параметрами θ12, θ23, θ13 и δCP., которые задают матрицу нейтринного смешивания (матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, ПМНС-матрица). В настоящее время ключевыми задачами экспериментальной физики нейтрино являются:

Мы уже не раз писали об исследованиях такого рода (1, 2, 3, 4). Возможным механизмом, создающим массу νeνμ и ντ, является существование массивного четвертого типа нейтрино – стерильного, не взаимодействующего с фермионами СМ. Именно на его поиски и направлен эксперимент Нейтрино-4, который проводят физики НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ на реакторе SM-3 в Димитровграде. Об этих исследованиях рассказал их руководитель Анатолий Павлович Серебров на Объединенном семинаре Отделения физики высоких энергий и Отделения теоретической физики Института.

Экспериментаторы пытаются «зацепить» осцилляции реакторных антинейтрино на коротких (порядка нескольких метров) расстояниях. Реактор SM-3 хорошо подходит для исследований такого рода, так как линейные размеры его активной зоны малы (42х42х35 см3) и не «размывают» возможный эффект. Детектор (см. рисунок 1) можно расположить на расстоянии 5 метров от активной зоны, что позволяет промерить малые длины осцилляции. Это означает, что становится доступен для изучения диапазон больших масс стерильного нейтрино. Примером, показывающим конкурентное преимущество исследований на реакторе SM-3, могут служить результаты измерений эксперимента Double Chooz (работа была выпущена за несколько дней до семинара). Используя реакторы с активной зоной больших размеров, удалось исследовать область Δm142<0.2 eV2. Эксперименту группы Сереброва доступна область Δm142<0.1-10 eV2.

Экспериментальная установка состоит из сборки сцинтилляторов для регистрации реакции обратного бета-распада, когда пара антинейтрино-протон превращается в пару позитрон-нейтрон, которую можно зарегистрировать. Детектор для регистрации этой реакции состоит из сборки небольших сцинтилляторов, расположенных на подвижной платформе. Двигая платформу, экспериментаторы «прощупывают» различные расстояния на предмет периодических изменений потока антинейтрино, что является признаком осцилляций.

Результаты измерений выглядят многообещающе – обнаружено указание на осцилляции (см. рисунок 2), т.е. намек на существование стерильного нейтрино. Какова же степень надежности полученного результата? Следует оговориться, что задача точного определения статистической значимости для сигналов, находящихся в районе 2-4 стандартных отклонений сложна, а результат сильно зависит от используемого метода. Группа А.П. Сереброва утверждает, что обнаружен эффект на уровне 3.2σ. Независимая группа ученых, проведя статистический анализ опубликованных данных, утверждает, что эффект виден на уровне 2.6σ. Скептики могут утверждать, что вероятность того, что сигнал является статистической флуктуацией, составляет 5%, но даже если поверить им, то с вероятностью 95% мы стоим на пороге открытия калибра Нобелевской премии (при условии, что корректно учтены все систематические погрешности).

Результаты эксперимента опубликованы (12). Они докладывались на профильной конференции по физике нейтрино «Neutrino-2020», которая проходила в этом году в онлайн-режиме. Измерения не противоречат результатам других экспериментов (указание на сигнал обнаружено в области пока что недоступной для других экспериментальных групп, см. рисунок 3). Более тогo, в экспериментальной физике нейтрино есть еще два результата, не укладывающихся в современную теорию, но которые могут быть объяснены при помощи гипотезы о существовании стерильных нейтрино:

Комбинация всех указаний дает оценку угла смешивания sin2(2θ14) = 0.19 ± 0.04.

В своем докладе Анатолий Павлович рассмотрел вопрос: «Что будет означать для физики открытие стерильного нейтрино с такими параметрами?» Во-первых, ПМНС-матрица может быть расширена на четвёртое поколение нейтрино, при этом из совокупности экспериментальных наблюдений можно оценить дополнительные параметры расширенной матрицы (см. рисунок 4). Имея в руках оценку этих параметров, можно оценить массу m4 = 2.68 ± 0.13 эВ. Во-вторых, в такой схеме стерильное нейтрино из-за эффектов смешивания может давать эффективную массу стандартным: νeνμ и ντ. Так, например, может быть вычислена эффективная масса электронного нейтрино mνeeff = 0.58 ± 0.09 эВ. Такой диапазон масс в ближайшие годы может быть исследован экспериментом KATRIN.

Отдельный вопрос состоит в том, как согласуются результаты космологических наблюдений с гипотезой о существовании стерильного нейтрино. На первый взгляд они находятся в противоречии. Однако интерпретация наблюдений базируется на предположении о термализации стерильных нейтрино в первичной плазме, а оно может быть обоснованно поставлено под сомнение.

Подводя итог, хочется отметить, что полученный результат будет в ближайшее время уточняться. Группа Анатолия Павловича готовится к проведению новых измерений. Стоит ожидать новых результатов и от зарубежных групп. Подробнее с содержанием доклада можно ознакомиться в презентации, представленной на семинаре, и опубликованных научных работах (12).

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт