Пошук гіпотетичної частинки стерильного нейтрино обсерваторією IceCube, яка розташована глибоко в арктичному льодовику, не приніс жодних результатів.
Обсерваторія IceCube, розташована на полярній станції Амундсена-Скотта в Антарктиді.
«Нульовий результат», про який повідомили 8 серпня в журналі Physical Review Letters, не означає кінця пошуку цієї частинки, що триває вже кілька десятиліть і в разі успіху надасть суттєву підтримку Стандартній моделі елементарних частинок. Однак на сьогодні – це дуже переконливий доказ того, що стерильного нейтрино не існує, принаймні в сподіваному спектрі маси-енергії. Через аномалії в результатах кількох експериментів протягом останніх 30 років періодично з’являлась надія, що ця частинка повинна існувати.
Нейтрино – дуже поширені елементарні частинки. Кожної секунди через наше тіло проходять трильйони нейтрино, однак вони взаємодіють з матерією так слабо, що детектувати їх можуть тільки дуже великі і чутливі підземні сенсори. Кілька таких експериментів виявили три типи нейтрино – електронне, мюонне і тау-нейтрино. Цікаво, що, рухаючись у просторі, ці типи нейтрино можуть перетворюватися одне на одного.
В середині 1990-х детектор нейтрино у Лос-Аламоській національній лабораторії в Нью-Мексико виявив аномалію, яка вказувала на те, що повинен існувати ще й четвертий тип, який мав би взаємодіяти з матерією навіть ще слабше, ніж інші три. Його назвали «стерильним нейтрино», а його маса, за обчисленнями експертів з Лос-Аламоської лабораторії, мала становити мільярдну частку маси атома водню – близько 1 електронвольт (еВ). Інші експерименти виявляли аналогічні аномалії. Сучасніші дослідження, які аналізували потік нейтрино з атомних реакторів, зокрема реакторний нейтринний експеримент Daya Bay в Китаї, також виявляли несподівані аномалії у своїх даних, які теоретично могли бути слідами стерильних нейтрино.
Стерильні нейтрино неможливо детектувати безпосередньо. «Єдиний спосіб їх відстежити – за впливом на три інші типи нейтрино», – каже Френсіс Гальцен, фізик з Університету Вісконсина-Медісона. Гальцен – головний науковець експерименту IceCube, що включає понад 5,000 сенсорів розміром з баскетбольний м’яч, розташованих в льодовику на глибині 2 км. IceCube реєструє нейтрино, відстежуючи слабі спалахи світла, які появляються під час ударів цих частинок з ядрами атомів льоду.
Щоб виявити стерильні нейтрино, команда Гальцена стежила за мюонними нейтрино, які народжувалися по інший бік Землі під час взаємодії космічних променів з молекулами повітря атмосфери Землі і проходили крізь Землю, перш ніж потрапити на сенсор. Під час цієї подорожі принаймні деякі мюонні нейтрино мали би перетворитися на стерильні.
Однак, проаналізувавши дані, зібрані протягом року, дослідники не виявили ніякого сліду, який би вказував на існування стерильних нейтрино в ділянці 1 еВ. Це узгоджується з результатами обсерваторії Європейського космічного агентства «Планк», яка встановила, що в цьому діапазоні маси повинні існувати лише три типи нейтрино. «Я сподіваюся, що з нашим результатом та результатом “Планка” ми нарешті поставимо крапку в цій історії», – каже Гальцен. IceCube, до речі, досі збирає дані, однак вчені вже не сподівається, що результати зміняться.
Фізик-теоретик з Університету Валенсії (Іспанія) Ольга Мена-Рек’єхо погоджується, що IceCube спростовує аномалію, яка виникла під час експерименту в Лос-Аламосі, однак вважає, що існування стерильних нейтрино може випливати з інших, альтернативних моделей.
Зокрема, експеримент Daya Bay полічив лише електронні нейтрино, а не мюонні. Гіпотетично стерильні нейтрино можуть перетворюватись в мюонні набагато рідше, ніж в інші типи, – вказує фізик з Університету ім. Сунь-Ятсена в Гуанчжоу Цзяцзе Лін, який координував пошук стерильних нетрино в експерименті Daya Bay.
Крім того, астрономи, які спостерігають за космосом в рентгенівському спектрі, виявили незбагненне світіння в деяких типах галактик, яке, згідно деяких теорій, можна пояснити за допомогою набагато важчих стерильних нейтрино з масою порядку 7000 еВ. На початку цього року космічна обсерваторія Хітомі, що пропрацювала менше місяця, не виявила свідчень нейтрино з енергією 7 КеВ, але через несправність експеримент не був завершений. Тож дослідження у важчому спектрі маси продовжуються: результати IceCube нічого не кажуть про існування цих масивніших стерильних нейтрино.
Тріо детекторів, які зараз споруджується в Національній прискорювальній лабораторії ім. Енріко Фермі, повинні або цілковито спростувати аномалію експерименту з Лос-Аламосу, або знайти йому якесь інше пояснення, що може включати і гіпотезу стерильних нейтрино.
«Вполювати ці стерильні нейтрино – це те саме, що поцілити в кажана у темній кімнаті. – каже Кам-Бу Люк, один з головних дослідників експерименту Daya Bay. – Ми не маємо поняття, де він ховається».
Davide Castelvecchi
Icy telescope throws cold water on sterile neutrino theory
Nature, 8/08/2016
Зреферував Євген Ланюк
19.08.2016