У ученых много проблем с нейтрино — элементарными частицами без заряда. За объяснение одной из них — почему мы видим слишком мало солнечных нейтрино — в 2015 году вручили Нобелевскую премию по физике. Тогда исследователи доказали существование нейтринных осцилляций, то есть превращение разных типов нейтрино друг в друга. Во время поиска решения этой загадки астрофизики столкнулись с галлиевой аномалией.
Когда исследователи облучали ядра галлия потоком электронных нейтрино, с нейтронами взаимодействовало на 20 процентов меньше нейтрино, чем предсказывала теория. Много лет ученые пытались объяснить это преобразованием электронных нейтрино в стерильные.
Эта гипотетическая частица относится к семейству нейтрино, но должна участвовать только в гравитационном взаимодействии, в то время как обычные нейтрино связаны с гравитационным и слабым взаимодействиями. Стерильные нейтрино понадобились ученым, чтобы построить объяснения эффектов, которые выходят за рамки Стандартной модели.
Исследователи много раз пробовали, но пока не смогли подтвердить экспериментами существование стерильных нейтрино. Ведущий автор статьи Маттео Кадедду (Matteo Cadeddu) уже занимался решением загадки галлиевой аномалии, назвал ее своей «личной одержимостью», бросил эту работу на несколько лет и недавно вернулся к ней, начав с чистого листа.
Его исследовательская группа, включающая как именитых физиков, так и студентов, отказалась от упрощения, при котором поведение ядра галлия рассматривали отдельно от ударяющегося в него нейтрино и генерируемого после столкновения электрона. Они также сменили в расчетах нерелятивистское уравнение Шредингера на уравнение Дирака, учитывающее специальную теорию относительности.
В новой парадигме физики смогли объяснить аномалию галлия. Их статья опубликована в журнале Physical Review Letters.
Оказалось, что критически важно было рассматривать связанные с электроном процессы и превращение ядра галлия-71 в германий-71 вместе как зависящие друг от друга части расчетов. Ученые рассказали, что это важный сдвиг в способе думать о классе слабых ядерных процессов, поскольку «информация, обычно сжатая в одном ядерном матричном элементе, может иметь значение».
Расчеты физиков воспроизвели наблюдаемое число событий взаимодействия нейтрино с ядром галлия. Они считают, что этим сняли необходимость вносить в систему стерильные нейтрино, и ожидают обсуждения темы с коллегами.