Рис. 1 – Распределение событий (экспериментальные точки), зарегистрированных в зависимости от L/⟨Eν⟩). Черным показано ожидаемое распределение событий в предположении отсутствия осцилляций, связанных с существованием стерильного нейтрино (фоновые события вычтены). Красная гистограмма – вклад фона от космического излучения, а синяя – от фона случайных совпадений. Источник: препринт статьи.
фото взято https://arxiv.org/pdf/2406.10408
Рис. 2 – Распределение отношения числа зарегистрированных событий к распределению, ожидаемому при отсутствии осцилляций. Зеленая гистограмма – ожидаемая форма распределения для случая существования стерильного нейтрино с параметрами, установленными экспериментом НЕЙТРИНО-4. Источник: препринт статьи PROSPECT
фото взято https://arxiv.org/pdf/2406.10408
Рис. 3 – Ограничения на пространство параметров стерильного нейтрино. Синие линии – ограничения, полученные экспериментом PROSPECT (область параметров справа от кривых исключена). Сплошная при уровне достоверности 95%, пунктирная – при уровне достоверности 5σ, точки – ожидаемая чувствительность для уровня достоверности 95%. Светло-красным показаны параметры стерильного нейтрино, определенные экспериментом BEST, а тёмно-красным со звездой – экспериментом НЕЙТРИНО-4. Источник: препринт статьи PROSPECT
фото взято https://arxiv.org/pdf/2406.10408
На международной конференции Neutrino-2024 были представлены новые результаты по поиску стерильных нейтрино. Самыми интересными выглядят данные, обнародованные экспериментом PROSPECT, который заявил об исключении большой части диапазона параметров стерильных нейтрино. Тем не менее, для достижения полной ясности в вопросе о существовании стерильных нейтрино, необходимы более точные измерения.
На прошлой неделе в Милане (Италия) прошла XXXI-я Международная конференция по физике нейтрино и астрофизике. Мероприятие проходит раз в два года и международные эксперименты традиционно стремятся представить на нём свои последние результаты в этих областях физики. Большой интерес вызывают итоговые результаты первой фазы измерений стерильного нейтрино эксперимента PROSPECT, поскольку аналогичные исследования проводят сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ в эксперименте НЕЙТРИНО-4.
В настоящее время достоверно установлено существование трёх типов нейтрино: электронного (νe), мюонного (νμ) и тау-лептонного (ντ). Также надежно установлен феномен смешивания этих трех типов. Нейтринные осцилляции свидетельствуют о массивности этих частиц. Трем ароматам ставится в соответствие три массовых состояния: ν1, ν2 и ν3. С теоретической точки зрения не исключена возможность существования четвертого типа нейтрино (стерильного). Такое название связано с тем, что эта (пока еще гипотетическая) частица не взаимодействует с материей, но может проявлять себя только в осцилляциях. На сегодняшний день наиболее обнадеживающими указаниями на существование стерильных нейтрино являются результаты российских экспериментов НЕЙТРИНО-4 (А.П. Серебров и др., ПИЯФ, Гатчина) и BEST (В.В. Баринов и др., ИЯИ, Москва), о которых мы неоднократно писали в наших новостях (1, 2).
В эксперименте PROSPECT, детектор располагался в здании высокопоточного реактора HFIR мощностью 85 МВт Национальной лаборатории Ок-Ридж (США). Кольцевая цилиндрическая активная зона реактора HFIR имеет внешний диаметр 43.5 см и высоту 50.8 см. Компактные размеры активной зоны позволяют измерять осцилляции нейтрино в масштабах порядка нескольких метров, что сопоставимо с условиями эксперимента НЕЙТРИНО-4. Сегментированный детектор (154 сегмента) выполнен на основе жидкого органического сцинтиллятора, находится на расстоянии 6–9 метров от центра реактора и регистрирует события обратного бета-распада (inverse beta decay, IBD), соответствующие осцилляциям стерильного нейтрино. К сожалению, в отличии от детектора эксперимента НЕЙТРИНО-4, детектор PROSPECT-I неподвижный, что снижает возможности устранения некоторых видов систематических погрешностей.
На рисунке 1 приведено распределение событий IBD, зарегистрированных PROSPECT-I, в зависимости от отношения расстояния до центра активной зоны и энергии нейтрино (L/⟨Eν⟩). Основными фоновыми процессами являются фон случайных совпадений и фон от космических лучей. Полученное распределение событий соответствует гипотезе отсутствия осцилляций. Авторы исследования утверждают, что видимые на рисунке 1 структуры (осцилляции), как для сигнала, так и для фона, возникают в результате взаимодействия между формой энергетического спектра нейтрино, Eν, выбранным разбиением на бины распределения отношения L/⟨Eν⟩ и геометрией детектора PROSPECT-I.
На рисунке 2 в зависимости от L/⟨Eν⟩ показано отношение зарегистрированных событий обратного бета-распада к их ожидаемому числу в предположении отсутствия осцилляций, связанных со стерильным нейтрино. Измеренная детектором PROSPECT-I величина хорошо совпадает с единицей (пурпурная гистограмма). Можно сказать, что даже слишком хорошо – ведь вероятность того, что из 37 экспериментальных точек только четыре и менее окажутся на расстоянии более одного стандартного отклонения, составляет всего 0.3%. Измерения позволили экспериментаторам из коллаборации PROSPECT поставить ограничения на возможные параметры стерильного нейтрино – массовый параметр и угол смешивания. Они показаны на рисунке 3. С одной стороны, данные PROSPECT не противоречат результатам НЕЙТРИНО-4 или BEST, то есть, в пространстве есть области, в которых три эксперимента попарно согласуются друг с другом. С другой стороны, даже для уровня достоверности 95% в пространстве параметров нет точки, одновременно «разрешенной» тремя измерениями сразу.
В заключение следует отметить, что для окончательного прояснения вопроса необходимы новые измерения. Такие эксперименты готовятся в настоящее время. Как отмечали некоторые докладчики на конференции Neutrino-2024: «Скорее всего, НЕЙТРИНО-4 будет первым, кто проверит свое заявление о наблюдении стерильных нейтрино».