OPERA «закрыла» стерильные нейтрино c достоверностью 3,3 σ

Международная группа исследователей, в которой были и российские ученые, проанализировала результаты крупнейшего эксперимента OPERA и пришла к выводу, что в них почти наверняка нет никаких следов стерильных нейтрино. Это весьма важный результат: такую частицу уже много лет предлагают как «лекарство» от острейших нерешенных проблем современный физики — загадки темной материи и барионной асимметрии Вселенной (то есть преобладания вещества над антивеществом).

Тоннель SPS, синхротрона ЦЕРН,
служащий источником нейтрино для эксперимента OPERA
© CERN

Стерильными называют гипотетические нейтрино, которые участвуют в гравитационном, но не участвуют ни в электромагнитном, ни в слабом, ни в сильном взаимодействиях. Таким образом, свойства стерильных нейтрино начинают напоминать свойства столь же гипотетических WIMP (слабо взаимодействующих массивных частиц), которыми многие ученые пытаются объяснить феномен темной материи — чего-то невидимого для телескопов, но явно влияющего на структуру галактик. В теории стерильные нейтрино вполне возможно обнаружить: они должны участвовать в нейтринных осцилляциях, то есть периодически превращаться в другие виды нейтрино.

Детекторы OPERA ловят пучок из синхротрона SPS в Женеве. Установки разделяют 732 километра. Детектор OPERA состоит из 150 тысяч свинцовых пластин, прослоенных эмульсионной пленкой весом 8,3 кг каждая. Ранее эксперимент OPERA изучал нейтринные осцилляции (превращения разных видов нейтрино друг в друга) электронных, мюонных и тау-нейтрино, существование которых доказано. Именно на нем в 2010 году были получены свидетельства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино.  Авторы новой работы использовали те же наборы данных, чтобы отследить в них следы стерильного нейтрино — OPERA накопил огромную статистику по осцилляциям нейтрино, поэтому вполне резонно ожидать, что в них должны быть следы и стерильных нейтрино.

Ученые, препринт статьи которых опубликован на сайте препринтов Корнеллского университета, проверяли наиболее популярную модель этой частицы — легкого стерильного нейтрино. Кроме данных OPERA привлекались и данные от других экспериментальных детекторов нейтрино. Оказалось, что вероятность существования легкого стерильного нейтрино, согласно всем экспериментам по превращениям одних видов нейтрино в другие, исключена с вероятностью 3,3 σ. Сигмой (σ) в статанализе обозначают стандартное отклонение. Для самого простого случая, нормального распределения, вероятность попасть в интервал ± 1σ равна приблизительно 68%, в ± 2σ — 95%, в ± 3σ — примерно 99,8%. Это значит, что в новой работе вероятность существования следов стерильного нейтрино в данных OPERA очень низка — считанные доли процента (ниже 0,2%). С вероятностью значительно более 99% легких стерильных нейтрино не существует. В теории в физике предпочитают более высокую уверенность в результатах — порядка пяти сигм. Однако это относится только к ситуации, когда речь идет об открытии новой частицы. Поскольку стерильное нейтрино никогда не открывали, в данном случае требования такого рода не строго обязательны.

Тем не менее ограничения в 3,3 σ делают ситуацию лучше, чем в других отраслях физики, где продолжаются дебаты о различных гипотетических частицах. Например, по WIMP пока таких ограничений вообще нет, поскольку ни энергия, ни сечение для таких частиц не имеют строгих ограничений, и при достаточно малых значениях сечения всегда можно предположить, что какие-то частицы такого рода все равно существуют, просто их трудно обнаружить экспериментально. С легким стерильным нейтрино ситуация более ясная: в случае его существования оно должно оказывать влияние на превращения одного типа обычных нейтрино в другой.

Эти данные особенно важны потому, что ранее, в 2018 году, на основе данных другого, менее масштабного эксперимента (MiniBooNE в Национальной лаборатории имени Ферми в США) было заявлено об обнаружении сигналов, совместимых с существованием стерильного нейтрино. Авторы новой работы показывают, что при использовании более широкой статистики данные эти не выдерживают критики.

Стерильные нейтрино ранее предлагались на роль главного действующего лица в нейтринной минимальной стандартной модели Шапошникова. Там использовалось сходство их свойств с параметрами гипотетической темной материи, реальные носители которой до сих пор не вполне ясны. Новые данные показывают, что шансы на реалистичность этой модели ниже одного процента.

Источник: chrdk.ru