Стерильные нейтрино исчезают, поскольку STEREO не находит признаков осцилляций

Данные эксперимента во Франции под названием СТЕРЕО предполагают, что стерильные нейтрино не могут объяснить, почему поток нейтрино, наблюдаемый при делении урана-235, ниже, чем предсказывает теория. Вместо этого команда STEREO считает, что несоответствие возникает из-за теоретических трудностей моделирования процесса распада. Результат знаменует собой кульминацию 11-летнего проекта по проверке гипотезы, впервые выдвинутой группой ученых, в которую входили два члена коллаборации STEREO.

Открытие в 1998 году нейтринных осцилляций детектором Супер-Камиоканде в Японии стало одним из самых важных событий в физике элементарных частиц 20-го века. Это потому, что он показал, что нейтрино должны иметь крошечную, но не нулевую массу. В результате нейтрино распространяются в пространстве как осциллирующие квантовые суперпозиции электронных нейтрино и их более тяжелых собратьев — мюонных нейтрино и тау-нейтрино. Это объясняет загадочные эксперименты, проведенные в 1960-х годах, когда физики, наблюдавшие за Солнцем, обнаружили значительно меньше нейтрино, чем предсказывалось. Происходило то, что многие из этих солнечных нейтрино колебались в ароматы нейтрино, для обнаружения которых эксперименты не предназначались.

В 2011 Дэвид Луилье в CEA и его коллеги во Франции опубликовали статью, в которой предполагалось, что измерения потока нейтрино от ядерных реакторов в совокупности показали аномально низкий поток нейтрино от урана-235 по сравнению с предсказаниями теоретических моделей. Более того, они показали, что эту аномалию можно объяснить тем, что нейтрино колеблются в «стерильные» нейтрино, которые не будут взаимодействовать через слабое взаимодействие и, следовательно, не будут обнаружены. Стерильные нейтрино — это гипотетические частицы, которые вызываются некоторыми теоретическими расширениями Стандартной модели физики элементарных частиц, поэтому мысль о том, что они могли быть замечены в осцилляциях нейтрино, была дразнящей. В 2016 году Люлье и его коллеги установили детектор STEREO в исследовательском реакторе Института Лауэ-Ланжевена (ILL) в Гренобле, где STEREO означает «Поиск осцилляции нейтрино в стерильном реакторе».

Более короткие колебания

«Раньше все видели средний дефицит [нейтрино]», — объясняет Луилье. «Идея была такой: «Хорошо, может быть, если мы подойдем ближе, мы сможем увидеть это первое или второе колебание». Длина гипотетической волны колебаний была неизвестна, говорит он, но «наверняка колебание было размыто уже через 100 м». Детектор STEREO состоит из шести отдельных легированных гадолинием 1.8 мкм³ заполненные углеводородом сцинтилляторы, расположенные менее чем в 20 м от почти полностью обогащенного ядерного реактора ILL диаметром 40 см на уране-235, который эффективно ведет себя как точечный источник нейтрино из урана-235.

Когда нейтрино сталкивается с атомом водорода в одном из жидких сцинтилляторов, он стимулирует обратный бета-распад, превращая электрон в позитрон, а протон в нейтрон и выбивая их из строя. Замедление позитрона генерирует быстрые гамма-лучи. Впоследствии нейтрон, вероятно, захватывается ядром гадолиния, переводя его в метастабильное состояние. Когда он впоследствии распадается, он производит второй, более мощный импульс гамма-излучения: «Это тот сигнал, который мы ищем», — говорит Луилье; «маленький импульс от позитрона, а затем, через несколько микросекунд, большой импульс от гадолиния».

Если это не стерильное нейтрино, проблема должна быть на стороне предсказания.

Дэвид Луилье

Используя свои шесть последовательных детекторов, исследователи подтвердили, что действительно существует дефицит нейтринного потока по сравнению с теоретически предсказанным. Однако этот дефицит оказался постоянным во всех шести детекторах, поэтому исследователи пришли к выводу, что это не объясняется нейтрино, колеблющимися в каком-то необнаруживаемом состоянии. «Если это не стерильное нейтрино, проблема должна заключаться в предсказании», — говорит Луилье. «Очень сложно предсказать, какие нейтрино может испустить реактор, потому что у вас есть около 800 способов разбить ядро ​​урана, поэтому вам нужно огромное количество ядерных данных».

Команда STEREO описывает свои выводы в статье в природа.

Стерильные нейтрино исключены MicroBooNE, но загадочный избыток остается необъяснимым

«Люди с нетерпением ждали этого, так что в этом смысле это полезная статья», — говорит физик-теоретик. Андре де Гувеа из Северо-Западного университета в Иллинойсе. «Это подтверждает тенденцию результатов, которые мы получаем, которые предполагают, что эта реакторная нейтринная аномалия более тесно связана с нашим неверным моделированием того, как нейтрино образуются при ядерном распаде, а не с каким-то захватывающим новым физическим явлением». Однако он добавляет, что «название статьи ['СТЕРЕО нейтринный спектр ²³⁵U-деление отвергает гипотезу о стерильных нейтрино'] несколько оптимистична… Стерильные нейтрино в принципе не исключаются как объяснение этой аномалии. Очень тяжелые стерильные нейтрино могут быть исключены только космологическими ограничениями», — говорит он, добавляя: «Эксперимент KATRIN дает некоторые захватывающие результаты».

Физик-теоретик Патрик Хубер из Технологического института Вирджинии в США добавляет: «Эта антинейтринная аномалия в реакторе существует с 2011 года, и я думаю, что на этом эта глава закрыта». Хубер выполнил один из расчетов нейтринного потока, показывающий напряженность с экспериментальными наблюдениями, и добавил: «Теперь мы знаем, что причиной несоответствия были ошибочные входные данные, и я думаю, что это важно в будущем, когда мы рассматриваем возможные применения физики нейтрино, такие как ядерная физика. безопасность. Их результат является краеугольным камнем усилий всего сообщества, направленных на то, чтобы понять, почему расчеты 2011 года и данные не совпадали, а теперь совпадают. Это научный метод в действии».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• Платоблокчейн. Интеллект метавселенной Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/sterile-neutrinos-fade-as-stereo-finds-no-evidence-of-oscillations/