Ученым известны три типа, или лептонных аромата, нейтрино: мюонное, электронное и тау-нейтрино. Они могут переходить из одного типа в другой, это явление называют «нейтринными осцилляциями». Стандартная модель физики элементарных частиц не может объяснить эти превращения. В рамках нее у нейтрино не должно быть и массы, но ученые доказали, что она есть.
Так как Стандартная модель в принципе не описывает все, ученые продолжают исследования в поисках универсальных законов Вселенной. Например, Нейтринная минимальная стандартная модель (neutrino minimal standard model, νMSM) расширяет Стандартную так, чтобы объяснять переходы нейтрино между ароматами. В ней добавлены три очень легких стерильных нейтрино, не участвующих в слабом взаимодействии.
Но Нейтринная минимальная стандартная модель не объясняет все поведение нейтрино, аномалии остаются. Физики предполагали, что их может объяснить существование четвертого стерильного нейтрино.
Международная коллаборация ученых, работающая над экспериментом MicroBooNE в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми Министерства энергетики США, не смогла найти в экспериментальных данных доказательств существования четвертого стерильного нейтрино. Результаты научной работы опубликованы в журнале Nature.
В модели vMSM стерильные нейтрино вообще не взаимодействует с веществом, в отличие от мюонного, электронного и тау-нейтрино. Тем не менее, если они существуют, ученые должны быть в состоянии отследить их влияние.
Высокочувствительный детектор MicroBooNE расположен на пути двух разных пучков нейтрино в Фермилабе (США): Booster Neutrino Beam и NuMI. С 2015 по 2021 год ученые с помощью него наблюдали за поведением элементарных частиц. По словам физиков, собранные данные исключают объяснение нейтринных аномалий с помощью единственного стерильного нейтрино с достоверностью 95 процентов.
Такая достоверность в физике элементарных частиц позволяет отбросить гипотезу с одним стерильным нейтрино, для доказательства открытия была бы нужна большая достоверность. Хотя гипотеза не опровергнута полностью, она перестала быть основным кандидатом для объяснения нейтринных аномалий. Это важный и полезный для физики элементарных частиц вывод. Он не отсекает возможность объяснить аномалии системой из нескольких стерильных нейтрино.
«Каждый раз, когда вы исключаете одну из возможных областей существования физики за пределами Стандартной модели, можете идти искать ее в других местах. Этот результат подстегнет творческий поиск в физике нейтрино, сообществу придется найти еще более увлекательные способы поиска новой физики. Иногда в науке то, что вы не находите, так же важно, как и то, что находите», — отметил Джастин Эванс (Justin Evans), профессор физики элементарных частиц Манчестерского университета и представитель коллаборации MicroBooNE.