В ядерном реакторе обнаружили четвертый тип нейтрино

В туннелях глубоко внутри гранитной скалы в Дайя-Бей, на ядерном реакторе в 55 километрах от Гонконга, чувствительные детекторы уловили намек на существование новой формы нейтрино, одной из самых неуловимых и многочисленных частиц в природе.

Нейтрино, электрически нейтральные частицы, которые откликаются лишь на гравитацию и слабое ядерное взаимодействие, взаимодействуют с материей так слабо, что сотни триллионов нейтрино ежесекундно пролетают через ваше тело, а вы даже не замечаете. Они бывают трех типов: электронные, мюонные и тау. Результаты Дайя-Бей указали на возможное существование четвертого, еще более загадочного и неуловимого типа частиц.

Стерильное нейтрино, как его обозвали, не является переносчиком какого-либо заряда и будет непроницаемым для всех сил, кроме гравитации. И только сбрасывая свою накидку невидимости, превращаясь в электронное, мюонное или тау-нейтрино, стерильное нейтрино становится уязвимым для обнаружения. Окончательно подтверждение его существования «откроет целый проспект новых исследований», говорит физик частиц Стивен Парке из Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Батавии.

Возможное доказательство существования стерильной частицы вытекает из несоответствия между теорией и экспериментом. Если ядерный реактор производит пучок только одного типа нейтрино, теория предсказывает, что некоторые из них должны изменить свою сущность по мере движения к удаленному детектору. Проанализировав более 300 000 электронных антинейтрино, собранных ядерными реакторами Дайя-Бей за 217 дней работы, ученые обнаружили нехватку 6% частиц, предсказанных стандартной моделью физики элементарных частиц. Физик частиц Кам-Бью Люк из Калифорнийского университета в Беркли и его коллеги сообщили о находке в феврале в журнале Physical Review Letters.

Одним из объяснений этого дефицита может быть то, что некоторые электронные антинейтрино трансформировались в недетектируемые и легкие стерильные нейтрино, с одной миллионной массой электрона. Другие исследования на ядерных реакторах, включая эксперимент на реакторе Bugey в Сен-Вюльба, Франция, также показали подобный дефицит электронных антинейтрино. Исследования пучков мюонных антинейтрино на некоторых ускорителях частиц показали еще и излишек электронных антинейтрино, что тоже можно отнести на счет «ловкости рук» невидимых стерильных нейтрино.

Результат Дайя-Бей обеспечивает самые точные на текущий момент измерения энергий антиэлектронных нейтрино в ядерном реакторе. Но статистическая значимость дефицита недостаточно высока, чтобы можно было огласить об открытии. Это открытие на «три сигма», то есть существует 0,3-процентная вероятность, что недостаток электронных нейтрино мог бы образоваться и в отсутствие стерильных нейтрино. Физики, как правило, стремятся к значению в пять сигма, чтобы открытие могло быть ошибочным лишь с вероятностью в 0,00003%.

Помимо намека на стерильные нейтрино, результаты на Дайя-Бей выявили вторую странную особенность — излишек электронных антинейтрино (по сравнению с теоретическими прогнозами) на энергии в 5 миллионов электрон-вольт. Это могло бы быть знаком, указывающим на открытие совершенно новой физики (или просто чего-то, что физики смогут объяснить за пределами ядерного реактора). Возможно, объяснение этого всплеска могло бы даже устранить необходимость привлечения стерильных нейтрино для объяснения общего дефицита электронных антинейтрино.

Если же окончательное доказательство существования легкого стерильного нейтрино будет обнаружен, «сообщество теоретиков перевернется», говорит Парке, и это открытие могло бы оказать большее влияние, чем бозон Хиггса, за обнаружение которого присудили Нобелевскую премию и который объясняет, почему у элементарных частиц есть масса.

«Найти стерильное нейтрино чрезвычайно важно, поскольку это будет первое открытие частицы, которая не вписывается в рамки так называемой Стандартной модели», говорит физик частиц Карло Джунти из Университета Турина в Италии.


Один из самых первых экспериментов, который позволил предположить наличие стерильных нейтрино, проходил с участием Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND), который работал при Лос-Аламосской национальной лаборатории в Нью-Мексико с 1993 по 1998 год. LSND обнаружил, что мюонные антинейтрино, пропущенные через 167 тонн нефтепродуктов, превратились в электронные антинейтрино, указав при этом на возможное наличие четвертого типа нейтрино. Затем, с 2002 по 2012 год, в Лаборатории Ферми проводился эксперимент под названием MiniBooNE, который привел к подобным результатам. Очередной эксперимент MiniBooNE начался в октябре. MicroBooNE — это первый из трех жидких аргоновых детекторов, расположенный на трех различных расстояниях от источников нейтрино в Лаборатории Ферми, который будет с беспрецедентной точностью оценивать преобразование нейтрино из одного типа в другой.

Расположенный в 470 метрах от Booster Neutrino Beamline при Fermilab, MicroBooNE — это центр тройки детекторов, в которую в 2018 году войдут ICARUS, самый дальний детектор (на расстоянии 600 метров), и Short-Baseline Near Detector (в 100 метрах от источника). Первые результаты тройки детекторов ожидаются в 2021 году, говорит физик элементарных частиц Питер Уилсон из Fermilab.

Эти детекторы также послужат прототипом для Deep Underground Neutrino Experiment, масштабного эксперимента, который будет посылать созданные на Fermilab нейтрино в 1300-километровое путешествие на Сэнфордскую подземную исследовательскую станцию недалеко от Лида.

В то же время коллаборация Дайя-Бей объединилась с другим экспериментом Лаборатории Ферми, Main Injector Neutrino Oscillation Search, чтобы продолжить поиски стерильных нейтрино. Хотя данные с экспериментов на ускорителе и реакторе пока не демонстрируют законченную картину, «скоро мы узнаем получше, ждут ли нас стерильные нейтрино», говорит Люк.

Если легкие стерильные нейтрино существуют, у них могут быть братья и сестры в 1000 раз тяжелее. Эти частицы могли бы внести свой вклад в пока не определенную темную материю, невидимый гравитационный клей, который удерживает галактики от разбегания и формирует крупномасштабную структуру Вселенной. Отпечатки этой частицы будет искать эксперимент KATRIN, изучающий радиоактивный распад трития, тяжелого изотопа водорода, в Технологическом институте Карлсруэ, Германия.

Стерильные нейтрино, которые еще более массивны, в триллион раз тяжелее электрона, могли бы объяснить невероятную космическую загадку — несоответствие количеств вещества и антивещества в космосе. Обладая энергией, которая хотя бы в миллион раз будет больше той, которую способен производить Большой адронный коллайдер, мощнейший в мире ускоритель частиц, сверхтяжелое стерильное нейтрино в юной Вселенной могло сделать немного больше материи, чем антиматерии. Со временем этот крошечный дисбаланс был воспроизведен в бесчисленных ядерных реакциях, что и привело к преобладанию материи над антиматерией в нашей современной Вселенной.

«Для космологии, стерильные нейтрино, о которых идет речь, вряд ли смогут решить проблему асимметрии материи-антиматерии, но вполне вероятно, что окажутся связанными с другими новыми частицами, которые могут решить эту проблему».

Ученые видят другую, более практичную выгоду в изучении нейтрино. Записывая выходной сигнал антинейтрино из ядерных реакторов, детекторы могут определить относительные количества плутония и урана, сырья для изготовления ядерного оружия. Каждый грамм плутония и урана в процессе деления ставит определенный отпечаток на энергию и скорость производства антинейтрино, говорит физик Адам Бернштейн из Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии. Детекторы способны наблюдать за ядерной активностью с расстояния в несколько сотен километров, но это потребует дополнительных исследований. Сейчас же их диапазон действия составляет от 10 до 500 метров.