Коллаборация нейтринного эксперимента Daya Bay публикует новые результаты своего первого исследования «стерильных нейтрино»

Коллаборация Daya Bay — международная группа ученых, изучающих превращения частиц, называемых нейтрино, публикует свой первый результат по поиску так называемых стерильных нейтрино — возможного нового типа нейтрино за пределами известных трех нейтринных «ароматов». Существование неуловимых частиц, если его доказать, глубоко повлияет на наше понимание Вселенной, а также на планирование будущих нейтринных экспериментов.

Эксперимент расположен вблизи атомных электростанций Daya Bay и Ling Ao в Китае, в 55 километрах к северо-востоку от Гонконга. Эти реакторы создают стабильный поток антинейтрино, который ученые коллаборации Daya Bay используют для исследований при помощи детекторов, расположенных в трех экспериментальных залах на различных расстояниях (от 360 м до 1,8 км) от реакторов. В коллаборацию входят более 200 ученых из шести стран.

Эксперимент Daya Bay начал работу 24 декабря 2011 г. Вскоре после этого коллаборация опубликовала свой первый результат: наблюдение нового типа осцилляций — доказательства того, что частицы смешиваются и меняют свой тип, — и высокоточное измерение нейтринного «угла смешивания» θ₁₃, что является окончательным подтверждением существования смешивания по крайней мере трех массовых состояний нейтрино [1-3].

Факт, что нейтрино вообще имеют массу — относительно новое открытие, как и наблюдение Daya Bay, что электронное нейтрино — это смесь по крайней мере трех массовых состояний. И пока ученые не знают точных значений масс нейтрино, они знают, что эти частицы куда менее массивны, чем хорошо известный электрон, член того же семейства частиц.

Эти неожиданные наблюдения привели к возможности того, что электрически нейтральные, практически необнаружимые нейтрино могут быть особым видом материи и очень важной частью массы Вселенной. C учетом того, что природа материи вообще и существование массы в частности — один из фундаментальных вопросов в науке, новые откровения о природе нейтрино ясно дают понять важность поиска других легких нейтральных частиц, которые могут быть партнерами активных нейтрино и могут давать вклад в темную материю.

Первый поиск стерильных нейтрино в эксперименте был проведен на основе энергетического спектра детектированных реакторных электронных антинейтрино. В пределах исследуемого диапазона масс признаков существования четвертого массового состояния нейтрино обнаружено не было [4].

Поиск стерильных нейтрино проводился тремя независимыми группами, одна из которых — группа физиков из Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (состав «стерильной» группы — И. В. Буторов, М. О. Гончар, Д. В. Наумов), разработавшая собственное программное обеспечение и методы анализа данных эксперимента Daya Bay и активно участвовавшая как в анализе данных, так и в написании статьи от коллаборации. Интенсивная и дружная работа велась больше года. В итоге, результаты всех трех групп оказались в хорошем согласии друг с другом.

Результат эксперимента Daya Bay — лучший мировой предел на параметры стерильных нейтрино в широком диапазоне масс, — таким образом, находится в согласии с существующей картиной трех-нейтринных осцилляций. Проверка существования стерильных нейтрино и определение их параметров является одной из важнейших задач физики нейтрино, на решение которой сегодня нацелено большое количество экспериментов. Новый результат эксперимента Daya Bay позволяет значительно сократить неисследованную область.

Д.В.Наумов

Список литературы

1. Daya Bay Collaboration (An F. P. et al.). Spectral Measurement of Electron Antineutrino Oscillation Amplitude and Frequency at Daya Bay // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 112. P. 061801. arXiv:1310.6732.
2. Daya Bay Collaboration (An F. P. et al.). Improved Measurement of Electron Antineutrino Disappearance at Daya Bay // Chin. Phys. C. 2013. V. 37. P. 011001. arXiv:1210.6327.
3. Daya Bay Collaboration (An F. P. et al.). Observation of Electron-Antineutrino Disappearance at Daya Bay // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 108. P. 171803. arXiv:1203.1669.
4. Daya Bay Collaboration (An F. P. et al.). Search for a Light Sterile Neutrino at Daya Bay // Phys. Rev. Lett. 2014. V. 113. P. 141802. arXiv:1407.7259.