Результаты эксперимента STEREO опровергают гипотезу о стерильных нейтрино

После нескольких лет работы коллаборация STEREO опубликовала окончательные результаты своих исследований антинейтрино. С полученными данными исследователи исключили намеки на существование стерильных нейтрино, дополнительного состояния нейтрино, ожидаемого во многих теориях. Результат имеет важное значение для многих областей фундаментальной физики.

В современной физике элементарных частиц все известные частицы и их взаимодействия описываются в так называемой Стандартной модели физики элементарных частиц. Модель включает в себя нейтрино, частицы, предложенные Вольфгангом Паули в 1930 году для соблюдения универсальных законов сохранения энергии.

Нейтрино очень легкие, электрически нейтральные и взаимодействуют только посредством электрослабого взаимодействия. Поэтому их очень трудно обнаружить. Прямого экспериментального обнаружения не было до 1956 года.

Сегодня известны три различных типа нейтрино. Эти нейтрино могут менять свою идентичность между разными состояниями из-за их очень малой, но ненулевой массы. Эти так называемые нейтринные осцилляции были установлены около двух десятилетий назад.

В 2011 году повышение точности измерений привело к аномалии между наблюдаемым и предсказанным потоком антинейтрино, испускаемым ядерными реакторами. Это вызвало гипотезу о существовании дополнительного состояния нейтрино, которое было бы стерильным, т.е. не взаимодействующим через слабое взаимодействие. Частица также могла бы объяснить физические явления, которые до сих пор полностью не изучены, такие как темная материя.

Для однозначной проверки гипотезы о стерильных нейтрино и определения их свойств был разработан и запущен в 2017 г. эксперимент STEREO на высокопоточном ядерном исследовательском реакторе ILL Grenoble. Детектор, состоящий из шести одинаковых элементов, был размещен всего в 10 метрах от активной зоны реактора.

В проекте использован опыт, накопленный в ходе нескольких поколений реакторных нейтринных экспериментов. Защищенные от внешней среды ячейки детектора были идеально расположены для поиска с беспрецедентной точностью сигнатуры стерильных нейтрино: на небольшом расстоянии от реактора должны были появиться зависящие от положения искажения в их энергетическом распределении.

Теперь коллаборация STEREO опубликовала свои последние результаты, объединяющие полный набор данных: физики подтвердили аномалию в потоке нейтрино, испускаемого ядерными реакторами, но стерильные нейтрино, однако, не являются причиной этого.

«Мы смогли наблюдать в общей сложности более 100 000 нейтрино в период с 2017 по 2020 год, но не смогли определить никаких следов потенциально стерильных нейтрино в рамках этих измерений», — объясняет Кристиан Бак, один из ведущих исследователей эксперимента. «Скорее всего, наблюдаемые аномалии являются результатом недооценки неточностей в ядерных данных о радиоактивном распаде, используемых для предсказания потока, а не самих экспериментов с нейтрино».

Хотя этот результат отвергает гипотезу о стерильных нейтрино, он служит дополнительной поддержкой Стандартной модели и ее нейтринного содержания.

Помимо поиска стерильных нейтрино, эксперимент STEREO также обеспечивает наиболее точное на сегодняшний день измерение спектра антинейтрино от деления урана-235.

Оно предназначено для использования в качестве эталонного спектра для будущих высокоточных реакторных экспериментов, таких как определение иерархии масс нейтрино или низкоэнергетические испытания Стандартной модели. Кроме того, точные измерения такого рода могут помочь лучше понять явления, происходящие, например, во время остановки реактора.

Исследование было опубликовано в журнале Nature.