Нейтрино представляют собой элементарные частицы, которые остаются объектом глубокого научного интереса, несмотря на то что они занимают второе место по распространенности во Вселенной после фотонов. Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, выделяют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Особенностью данных частиц является способность к осцилляции — спонтанному или обусловленному внешними факторами переходу из одного состояния в другое. Вместе с тем современные экспериментальные данные указывают на возможное существование дополнительного типа — стерильных нейтрино, хотя результаты исследования, опубликованного группой ученых в прошлом году, ставят под сомнение теорию их наличия.

И не так давно ученые, используя данные эксперимента MiniBooNE, совмещенные с данными от датчика Liquid Scintillator Neutrino Detector, получили первые существенные доказательства факта существования стерильного нейтрино.

MiniBooNE – это датчик, который улавливает нейтрино, рождающиеся при столкновении луча протонов с мишенью из определенного материала на установке в Лаборатории имени Ферми в Иллинойсе. Это сфера, диаметром 12.2 метра, заполненная 800 тоннами специальных углеводородов. Когда частица нейтрино ударяет в молекулу углеводорода, возникает слабая вспышка света. Фотонные ламповые усилители превращают эти вспышки в электрические сигналы, по параметрам которых компьютер может рассчитать время, место столкновения и вид элементарной частицы.

Доказательства, полученные экспериментом MiniBooNE, показывают, что количество зарегистрированных датчиком электронных нейтрино в единицу времени составляет 460.5 плюс/минус 95.8. Это гораздо больше, чем ожидалось и чем должно быть согласно Стандартной Модели. Такое несоответствие можно объяснить только наличием новой частицы, которая совершила колебание в сторону электронного нейтрино на общем фоне колебаний от мюонных в тау-нейтрино.

Ученые-физики озадачены и взволнованы предполагаемым открытием, ведь стерильное нейтрино может стать первой элементарной частицей, обнаруженной после того, как физики CERN обнаружили бозон Хиггса в 2012 году. И стерильное нейтрино может стать первой частицей, существование которой выходит за рамки Стандартной Модели.

Окончательная точка над “i” в вопросе существования стерильного нейтрино может быть поставлена в ходе экспериментов KPipe и IsoDAR, проведение которых планируется в Японии, и дополнительных данных, которые предстоит собрать датчику MiniBooNE. “Эксперименты следующего поколения разрабатываются с прицелом на решение данной проблемы” – пишут исследователи, – “Их результаты смогут или закрыть эту главу полностью, или предоставить окончательные подтверждения”.

Загадка «стерильного» призрака: почему ученые ищут четвертый вид нейтрино и как это изменит мир

В физике элементарных частиц существует своя незыблемая триада. Физики давно привыкли, что фундаментальные кирпичики Вселенной любят число три: три поколения кварков, три типа лептонов и три вида нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино.

Нейтрино — самые неуловимые существа в микромире. Каждую секунду через ваш ноготь пролетают около 60 миллиардов этих частиц, рожденных в сердце Солнца, но вы их не чувствуете. Они почти не взаимодействуют с обычной материей. Однако в последние годы физики все громче говорят о существовании четвертого вида нейтрино — стерильного. Если его существование подтвердится, это станет величайшим научным прорывом XXI века и полностью перепишет наши представления о Вселенной.

Проблема трех призраков и нейтринные аномалии

В конце XX века ученые выяснили потрясающую вещь: нейтрино — это космические хамелеоны. Они способны на лету превращаться друг в друга. Этот процесс называется нейтринными осцилляциями. Например, электронное нейтрино, летящее от Солнца, по дороге к Земле может превратиться в мюонное. За открытие этого факта в 2015 году вручили Нобелевскую премию.

Но вот незадача: когда физики начали точно подсчитывать, сколько частиц должно получаться при таких превращениях на атомных реакторах и в ускорителях, дебет с кредитом не сошелся.

• Реакторная аномалия: детекторы фиксировали примерно на 6% меньше электронных антинейтрино, чем предсказывала теория.
• Куда исчезают частицы? Самое логичное объяснение — по пути они превращаются в четвертый, еще более неуловимый тип нейтрино, который существующие приборы просто не видят.

Этот гипотетический четвертый тип назвали стерильным нейтрино. Если обычные три вида общаются с миром посредством слабого ядерного взаимодействия, то стерильное нейтрино полностью «слепо» к нему. Оно «стерильно» по отношению ко всем силам природы, кроме одной — гравитации.

Охота за невидимкой: что происходит в лабораториях прямо сейчас?

Поскольку поймать стерильное нейтрино напрямую невозможно, ученые ищут его по «следам исчезновения» обычных нейтрино. Охота развернулась по всему земному шару.

Главные эксперименты мира:

• MicroBooNE и MiniBooNE (Фермилаб, США): Американские физики десятилетиями исследуют аномалии в потоках нейтрино. Эксперимент MicroBooNE выдал двойственные результаты: с одной стороны, классические аномалии частично объяснили фоновыми процессами, с другой — полностью исключить стерильного призрака ученые так и не смогли.
• IceCube (Антарктида): Огромный детектор, вмороженный в километровый лед Южного полюса, ловит нейтрино сверхвысоких энергий из глубокого космоса. Данные IceCube накладывают жесткие ограничения на массу четвертого нейтрино, заставляя теоретиков постоянно пересматривать модели.
• DANSS и BEST (Россия): Российские ученые находятся на передовой этой охоты. Эксперимент DANSS на Калининской АЭС ищет осцилляции на очень коротких расстояниях от реактора. А эксперимент BEST (Baksan Experiment on Sterile Neutrinos) в Баксанской нейтринной обсерватории на Кавказе в последние годы стал мировой сенсацией. Российские физики облучили галлиевую мишень мощным искусственным источником хрома-51 и обнаружили дефицит электронных нейтрино на уровне 20-24%. Это одно из самых сильных экспериментальных указаний на то, что стерильное нейтрино — не выдумка.

Значимость для человечества: зачем нам четвертый призрак?

На первый взгляд кажется: какая разница человечеству до частицы, которая вообще ни с чем не взаимодействует? Но открытие стерильного нейтрино мгновенно перевернет и фундаментальную науку, и технологии будущего.

1. Разгадка тайны Темной материи

Наша Вселенная на 85% состоит из загадочной Темной материи, которую никто никогда не видел. Она удерживает галактики от распада своей гравитацией. Стерильное нейтрино — идеальный кандидат на роль частицы Темной материи. Если физики докажут его существование, человечество наконец поймет, из чего состоит бóльшая часть окружающего нас космоса.

2. Крах Стандартной модели и Новая физика

Стандартная модель физики элементарных частиц — это главная инструкция к мирозданию, созданная XX веком. Но в ней нет места стерильному нейтрино. Его открытие будет означать начало «Новой физики». Это откроет двери к пониманию того, почему во Вселенной материи оказалось больше, чем антиматерии, и почему мы с вами вообще существуем, а не аннигилировали в первые секунды Большого взрыва.

3. Абсолютно прозрачная планета: технологии будущего

Понимание природы нейтрино и управление ими (даже через стерильные состояния) подарит человечеству фантастические прикладные инструменты:

• Нейтринная связь: Обычные радиоволны не проходят сквозь воду или толщу земли. Нейтринный луч может прошить Землю насквозь по прямой линии. Открытие новых типов нейтрино позволит создать каналы связи с подводными лодками на любых глубинах или мгновенную связь с обратной стороной Луны и Марсом прямо сквозь толщу планет.
• Ядерный аудит и безопасность: Детекторы нейтрино нового поколения позволят дистанционно заглядывать внутрь любого атомного реактора на Земле. Невозможно будет тайно нарабатывать оружейный плутоний — нейтринный след выдаст любую незаконную активность сквозь любые бетонные бункеры.
• Георазведка нового уровня: Научившись сканировать Землю нейтринными пучками, человечество получит идеальную «3D-карту» недр планеты, видя все залежи полезных ископаемых, нефти и кимберлитовые трубки с алмазами как на ладони.

Заключение

Стерильное нейтрино сегодня находится на той же стадии, на какой когда-то находился Электромагнетизм в XIX веке или Бозон Хиггса в начале XXI-го. Это тонкая нить, потянув за которую, ученые могут распутать главный клубок тайн Вселенной. Мы стоим на пороге научного перелома: призрачная частица, не желающая общаться с миром, вот-вот укажет нам путь к технологиям космической эры.