Облако на горизонте Стандартной модели элементарных частиц?

Есть очень красивый квантовомеханический эффект — осцилляции частиц. Допустим, есть две частицы, α и β, с одинаковым зарядом и одинаковыми другими строго сохраняющимися квантовыми числами, но с различающимися массами. Иногда оказывается так, что каждая из этих частиц не имеет определенной массы в вакууме, а имеет определенную массу только линейная комбинация их волновых функций. Но рождаются они либо как α, либо как β — в зависимости от реакции. Допустим, на установке рождается пучок частиц α. Но они не летают как α в чистом виде, поэтому на некотором расстоянии вдоль пучка экспериментатор, регистрирующий частицы, будет обнаруживать в пучке как α, так и β. Причем если пучок монохроматический, то вероятность обнаружить, допустим, β, будет меняться вдоль пучка по синусоиде. С помощью этого эффекта открыли нарушение CP-четности в системе осциллирующих нейтральных каонов.

Подозрение, что нейтрино тоже осциллируют, появилось еще в 60-х годах, когда обнаружился недостаток электронных нейтрино от Солнца. Одно из объяснений состояло в том, что они по дороге переходят в мюонные нейтрино, ненаблюдаемые при данной энергии. Впоследствии факт осцилляций нейтрино был подтвержден в экспериментах с атмосферными и солнечными нейтрино (SuperKamiokande, GALLEX, SAGE, SNO, KAMLAND). Стандартная модель получила дополнение, в котором присутствуют три типа нейтрино νе, νμ и ντ, связанных с массовыми состояниями ν1, ν2 и ν3 и смешивающихся друг с другом. Определились две области расщепления масс: m22-m12 ~ 8×10-5 эВ2 и m32-m22 ~ 2.5×10-3 эВ2.

Однако в 2001 г. в эксперименте LSND (Лос-Аламос, США) обнаружился избыток электронных антинейтрино в пучке мюонных антинейтрино. Этот результат интерпретировался как осцилляции двух типов нейтрино с разностью квадратов масс Δm2~1 эВ2 и не вписывался в Стандартную модель. Общепринятым подходом к решению проблемы LSND стало введение одного или нескольких стерильных нейтрино (нейтрино, которые не взаимодействуют через слабое взаимодействие, но могут осциллировать с тремя стандартными нейтрино) для того, чтобы одновременно описать осцилляции солнечных и атмосферных нейтрино и результат LSND.

Эксперимент MiniBooNe (Фермилаб, США), чувствительный к параметрам осцилляций, полученных в LSND, опубликовал в 2007 г. первый результат по поиску осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино. В эксперименте не было обнаружено избытка электронных событий над фоном в области энергий нейтрино более 475 МэВ, ожидаемого для параметров осцилляций, полученных в эксперименте LSND. Таким образом, предполагая, что СРТ=1 и СР=1, результат LSND в интервале разности квадратов масс нейтрино Δm2 ~ 0.1-100 эВ2 был исключен на уровне 98% (доверительный интервал) в схеме с двумя типами нейтрино для описания осцилляций мюонных в электронные нейтрино. Однако в эксперименте наблюдался избыток событий над фоном на уровне 3.0σ в области энергий нейтрино 200-475 МэВ. Этот избыток пока не нашел объяснения как за счет осцилляций, так и за счет неосцилляционной физики.

Первые результаты MiniBooNe с пучком мюонных антинейтрино, опубликованные в этом году, в пределах ошибок совпадают с фоном во всем интервале энергий антинейтрино и не подтверждают результат LSND, но и не противоречат ему из-за малой статистики. Увеличение статистики в 2 раза ожидается в ближайшее время. Избыток событий при низких энергиях в пучке мюонных антинейтрино не наблюдался, в отличие от пучка мюонных нейтрино. Очередной ли это сюрприз, на которые так богата нейтринная физика, или трудности сложного эксперимента — покажет ближайшее будущее.

Следует отметить особенность эксперимента, заключающуюся в том, что детектор MiniBooNe не разделяет электронные события и фотонные и детектирует фотоны как электроны. Уже предложен новый эксперимент в Фермилаб, который позволит решить эту проблему и регистрировать только электронные события.

Юрий Куденко,
док. физ.-мат. наук, зав. лаб. ИЯИ РАН

Ссылки:

Phys.Rev.Lett.98:231801, 2007

e-print: arXiv:0704.1500 [hep-ex]

arXiv:0812.2243 [hep-ex]

arXiv:0904.1958 [hep-ex]

Эксперимент MiniBooNe (Booster Neutrino Experiment) проводится в Фермилаб (США) на пучке нейтрино, получаемых на одной из ступеней ускорителя, бустере, разгоняющем протоны до 8 ГэВ. Схема для такого типа экспериментов стандартная: мишень для рождения пионов, распадная база для пионов 50 метров длиной, затем поглотитель всех адронов, мюонов, электронов и гамма-квантов, далее пролетная база нейтрино (450 метров) и, наконец, детектор нейтрино: сферический бак, заполненный 800 тоннами минерального масла и просматриваемый 1200 фотоумножителями. Частицы (электроны и мюоны) от взаимодействий нейтрино детектируются по их черенковскому излучению, причем электроны и мюоны, а следовательно, и родившие их электронные и мюонные нейтрино различаются по отклику установки.