Физики, возможно, разгадали 30-летнюю загадку пропавших нейтрино

Фото из открытых источников

Некоторые пропавшие нейтрино в экспериментах более трех десятилетий ставили физиков в тупик, но новое теоретическое исследование предполагает, что никакой загадки, возможно, и нет. Вместо намека на новый тип частиц, неожиданный результат может быть связан с ошибкой в расчетах, что подтвердит законы физики элементарных частиц, а не поставит их под сомнение. Результаты исследования были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Нейтрино — это призрачные, скользкие частицы, которые трудно обнаружить и которые могут спонтанно осциллировать между тремя своими типами. С 1990-х годов несколько экспериментов с детекторами на основе галлия обнаружили примерно на 20 процентов меньше нейтрино, чем ожидалось, что породило идеи о том, что некоторые нейтрино превратились в новый тип «стерильных» нейтрино, которые меньше взаимодействуют с материей и поэтому ускользают от обнаружения. Если бы это было так, стандартная модель физики элементарных частиц, которая табулирует все существующие частицы и силы, должна была бы быть изменена. Маттео Кадедду из Университета Кальяри в Италии и его коллеги теперь предполагают, что такое радикальное вмешательство может быть и ненужным. Их расчеты показывают, что проблема может заключаться в математическом моделировании экспериментов.

Все началось, когда Кадедду готовился к преподаванию курса по физике нейтрино. Предвидя вопросы студентов, он проследил все этапы расчетов, которые привели к установлению этой «галлиевой аномалии», и обнаружил деталь, достаточно интересную, чтобы обратить на нее внимание нескольких коллег.

«Постепенно это стало своего рода навязчивой идеей», — говорит он. «То, что начиналось как попытка достаточно хорошо понять старую формулу, чтобы ее преподавать, в итоге открыло совершенно другой способ взглянуть на аномалию».

В экспериментах, когда атом галлия сталкивается с нейтрино, он превращается в атом германия и электрон. Чтобы подсчитать нейтрино в детекторе на основе галлия, исследователи измеряют взаимодействие между германием и электроном, а затем работают в обратном направлении.

До сих пор они обычно предполагали, что квантовые волновые функции электрона и нейтрино, которые математически описывают их свойства и поведение, не меняются по всему ядру трансмутирующего атома. Именно на этой детали сосредоточились Кадедду и его коллеги.

К своему удивлению, они обнаружили, что отказ от этого предположения может объяснить сообщенный 20-процентный дефицит нейтрино, учитывая определенные свойства ядра атома. «Нам не нужно добавлять новую частицу или новое взаимодействие», — говорит Кадедду.

«Это интересное направление, заслуживающее дальнейшего изучения», — говорит Йоахим Копп из Университета имени Иоганна Гутенберга в Майнце, Германия. По его мнению, попытки расширить стандартную модель, чтобы она соответствовала экспериментам, требуют «действительно причудливых и тонко настроенных теоретических моделей», поэтому новый анализ более многообещающий. Но детали ядерной структуры галлия и германия должны быть независимо измерены или рассчитаны, чтобы полностью разрешить загадку нейтрино, говорит он.

Анте Равлич из Мичиганского государственного университета говорит, что новое исследование — шаг в правильном направлении. «Нам нужно дождаться более сложных расчетов, основанных на микроскопических ядерных моделях. Однако работа демонстрирует явное влияние более строгого подхода к волновым функциям электронов и нейтрино на возможное разрешение аномалии».

Равлич ожидает увидеть немало последующих исследований от физиков-ядерщиков, особенно учитывая, что нейтрино не только проверяют стандартную модель, но и важны для астрофизических процессов, таких как взрывы массивных звезд.

По словам Каддеду, команда уже работает над дальнейшими исследованиями с коллегами, специализирующимися на изучении ядерной структуры атомов. Новая работа также может послужить основой для будущих экспериментов с нейтрино, помогая им более точно искать признаки различных нейтрино.