Новые результаты. Итоги эксперимента NOvA добавляют нейтрино таинственности
Международной конференции по нейтринной физике и астрофизике
Neutrino 2024, которая прошла с 16 по 22 июня в Милане (Италия).
Коллаборации удалось удвоить набранную статистику по сравнению с
предыдущим этапом четыре года назад, а также добавить важные данные об
электронных нейтрино низких энергий. Новые результаты согласуются с
предыдущими, но отличаются повышенной точностью. С большей
достоверностью они свидетельствуют в пользу так называемого нормального
упорядочения масс нейтрино, однако в отношении многих осцилляционных
свойств этих частиц по-прежнему остается большая неопределенность.
Последние данные NOvA — результат очень точных измерений
разницы между квадратами масс нейтрино, указывающих на нормальную
иерархию масс. Так показано на рисунке, такая точность измерения разности
квадратов масс нейтрино в сочетании с данными экспериментов с
реакторными антинейтрино свидетельствует в пользу нормальной иерархии с
вероятностью 7:1. Однако физики еще не достигли такой статистической
значимости этих результатов, которая позволила бы однозначно заявить об
открытии.
NOvA (сокращение от NuMI off-axis νe Appearance) — это эксперимент,
проводимый Национальной ускорительной лабораторией Ферми (Fermilab)
Министерства энергетики США, расположенной вблизи Чикаго. Пучок
нейтрино из Fermilab направлен на 14-килотонный детектор, находящийся на
расстоянии 810 км, в Аш-Ривер штата Миннесота, но предварительно он
исследуется на ближнем детекторе, расположенном в 1 км от источника
нейтрино на глубине 100 м. Ближний и дальний детекторы похожи —
состоят из поливинилхлоридных ячеек, заполненных жидким
сцинтиллятором, причем световые импульсы от них передаются
оптоволокном. Измеряя и сравнивая потоки нейтрино и антинейтрино в
обоих местах, физики могут отслеживать, как эти частицы меняют свой тип
(или аромат) во время путешествия — явление, известное как нейтринные
осцилляции: мюонных нейтрино в пути становится меньше и появляются
электронные нейтрино, которых изначально не было.
Дальний детектор (NOvA Collaboration)
целей этого эксперимента. Физики знают о существовании трех типов
нейтрино с разной массой (электронного, мюонного и тау-нейтрино), однако
до сих пор не известны ни абсолютные значения их масс, ни то, какое
нейтрино является самым тяжелым (наличие у нейтрино масс следует из
того, что они могут осциллировать). Теоретические модели предсказывают
две возможные иерархии масс: нормальную и обратную. При нормальной
иерархии масс будет два легких нейтрино и одно более тяжелое, при
обратной — одно легкое и два тяжелых.
С нынешними знаниями об иерархии масс нейтрино остается
неоднозначным решение проблемы их осцилляций. В настоящее время у
физиков недостаточно данных, чтобы разделить два эффекта, которые
определяют осцилляции: иерархия масс нейтрино и нарушение СР-
инвариантности, а также их комбинации.
«NOvA играет важную роль, потому что у всех различных
экспериментов, пытающихся измерить одни и те же параметры осцилляций,
есть свои уникальные возможности, — рассказывает Джереми Уолкотт,
научный сотрудник Университета Тафтса, один из координаторов анализа
данных в коллаборации NOvA и докладчик на конференции Neutrino 2024. —
Мы начинаем видеть, что картина складывается воедино, но пока она неясна.
Очень важно получить больше измерений на разных установках, которые
можно было бы сравнить».
Распределение вероятностей для значений разности квадратов масс нейтрино
по данным эксперимента NOvA с учетом данных эксперимента Daya Bay с
реакторными антинейтрино. Нормальное упорядочение масс (синее) более
предпочтительно по сравнению с обратным (красное) в соотношении 7:1
(NOvA Collaboration) Ближний детектор (NOvA Collaboration)
Набор данных эксперимента начался в 2014 году и будет продолжаться
до начала 2027 года. За это время члены коллаборации надеются еще раз
удвоить набор статистики по осцилляциям антинейтрино (с февраля 2014-го
совершенствование методов анализа данных, что позволит увеличить
точность определения параметров осцилляций. Эти усилия физиков должны
проложить путь для будущих экспериментов, которые поспособствуют
раскрытию многочисленных загадок нейтрино.
«Знание иерархии масс нейтрино очень важно для анализа данных
неускорительных экспериментов, в которых мы пытаемся выяснить природу
нейтрино, т.е. определить, являются ли нейтрино дираковскими или
майорановскими частицами (в последнем случае частицы должны будут
выступать в качестве собственных античастиц). Природа нейтрино — это
один из основных вопросов нейтринной физики, поскольку позволяет
существенно ограничить набор моделей для выхода за рамки Стандартной
модели элементарных частиц, — поясняет российский участник
эксперимента NOvA, ведущий научный сотрудник Института ядерных
исследований РАН Анатолий Буткевич. — Обнаружение нарушения СР-
инвариантности при нейтринных осцилляциях также позволит лучше понять
природу асимметрии в распределении вещества и антивещества, которая
наблюдается во Вселенной, состоящей главным образом из материи
(протоны, нейтроны, электроны и т.д.) и небольшой доли антиматерии
(антипротоны, антинейтроны, позитроны и т.д.)».
Ближний детектор (NOvA Collaboration) ученых из 50 научных организаций в восьми странах мира (Бразилии,
Великобритании, Колумбии, Чехии, Индии, России, Турции и США). Россия
в этом эксперименте представлена Институтом ядерных исследований РАН и
Объединенным институтом ядерных исследований в г. Дубна.
Благодаря дополнительным данным и уточненным результатам их
анализа этот эксперимент позволит ученым приблизиться к пониманию
поведения нейтрино, способных «менять свою идентичность».
