Autobusový detektor v USA s 95% jistotou vyloučil existenci záhadných sterilních neutrin

Vědci z Fermiho národní akcelerační laboratoře (Fermi National Accelerator Laboratory) ve Spojených státech dosáhli významného průlomu v hledání hypotetických sterilních neutrin. Pomocí detektoru o velikosti autobusu, známého jako projekt MicroBooNE, zkoumali anomálie zjištěné v předchozích experimentech. Podle jednoho z modelů tento detektor s 95% jistotou nepodporuje existenci sterilního neutrina, ačkoli ponechává otevřenou možnost dalšího výzkumu.

Sterilní neutrina jsou hypotetické pravotočivé leptony, o nichž se předpokládá, že interagují pouze s gravitací. Jsou také známá jako čtvrtý typ neutrin, vedle aktivních neutrin – elektronového, mionového a tau, která prokazatelně interagují se slabými silami. Ačkoli nebyla nikdy detekována, sterilní neutrina byla navržena k vysvětlení anomálií zaznamenaných v předchozích experimentech, k poskytnutí základu pro hmotnost neutrin a dokonce i k vysvětlení temné hmoty ve vesmíru. Nicméně po prozkoumání let dat z předchozích experimentů projekt MicroBooNE existenci sterilních neutrin s 95% jistotou vyloučil.

Vědci studují neutrina tak, že je propouštějí scintilačními kapalinami a zaznamenávají jejich interakce. Tyto záznamy jsou poté použity k rekonstrukci dráhy neutrin a způsobu jejich interakce. Pomocí Standardního modelu pak vědci vypočítají očekávaný počet částic a rozdíl mezi tímto počtem a pozorovanými částicemi se používá k určení, zda sterilní neutrino existuje, či nikoli.

Předchozí pokusy o studium neutrin opakovaně odhalily nesrovnalosti v počtech. V roce 1995 detektor Liquid Scintillator Neutrino Detector v Národní laboratoři Los Alamos zjistil přebytek elektronových antineutrin. O mnoho let později další projekt nazvaný MiniBooNE objevil přebytek elektronových neutrin. Později Baksanský experiment na sterilní přechody (BEST) v Rusku použil 50tunovou nádrž tekutého gallia k nalezení deficitu germania, který vědci připsali interakcím elektronových neutrin s galliem. Přesto sterilní neutrino zůstávalo nepolapitelné.

MicroBooNE je nástupcem projektu MiniBooNE a skládá se ze dvou svazků, které dodávají neutrina do jeho detektoru. První svazek, Neutrinos at the Main Injector (NuMI), měří 680 metrů, zatímco druhý, Booster Neutrino Beam (BNB), měří 470 metrů. Oba tyto svazky přinášejí různé energetické rozsahy, a tedy i různé záznamy interakcí v detektoru. Při studiu záznamů interakcí z těchto různých svazků si výzkumníci všimli deficitu elektronových neutrin u svazku BNB, zatímco svazek NuMI nevykazoval žádný deficit.

„Toto první měření se dvěma svazky svého druhu je průkopnický výsledek, který významně omezuje prostor parametrů, kde by sterilní neutrino mohlo existovat,“ uvedla v tiskové zprávě Sowjanya Gollapinni, fyzička a vedoucí týmu MicroBooNE.

Výzkumníci naznačují, že neutrina oscilují do více než jednoho typu neutrina, nebo že ve hře může být více fyziky, kterou zatím plně nechápeme. Doufají, že nové projekty detektorů, jako jsou 110metrové a 600metrové duální detektory s kapalným argonem v rámci programu Short Baseline Neutrino Program a experimentu Deep Underground Neutrino Experiment, pomohou tuto záhadu rozluštit.

„Tento nový výsledek z MicroBooNE je významným pokrokem v našem hledání původu mnoha anomálií,“ řekla Erin Yandel, spolupředsedkyně skupiny pro oscilační fyziku v rámci projektu. „Díky MicroBooNE má nyní fyzika neutrin nový nástroj, který mohou nasadit i další experimenty v tom, co zůstává životně důležitou a vzrušující vědeckou výzvou.“

Výsledky výzkumu byly publikovány v prestižním vědeckém časopise Nature.