Министерство науки и высшего образования
Российской Федерации
  •        

Ученые представили новые результаты нейтринных экспериментов

Основной целью исследований является измерение и анализ вероятностей превращений мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные. Участие в экспериментах в составе международных коллабораций принимали ученые из Института ядерных исследований РАН.

Исследования были презентованы на Международной конференции по нейтринной физике и астрофизике NEUTRINO-2020, которая состоялась с 22 июня по 2 июля. Организатором онлайн-конференции выступила Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми (Фермилаб, США).

Международные коллаборации NOvA (Фермилаб) и T2K (Tokai-to-Kamioka, Япония), в которые входят и российские ученые, в частности, из Института ядерных исследований РАН, представили новые результаты, полученные с ускорительными пучками мюонных нейтрино и антинейтрино. Основной целью этих экспериментов является измерение и анализ вероятностей осцилляций мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные. В процессе осцилляций нейтрино мюонное превращается в электронное и тау нейтрино при прохождении от источника нейтрино к детектору.

Точные измерения этих вероятностей позволят определить, какой из трех типов нейтрино является самым легким, а какой самым тяжелым, т. е. определить иерархию масс нейтрино, а также выяснить нарушается ли зарядово-пространственная СР-симметрия в нейтринном секторе. Это нарушение означает неинвариантность физических законов относительно зеркального отражения с одновременной заменой частиц на античастицы. Экспериментально оно проявляется в различии между вероятностями осцилляций для нейтрино и антинейтрино.

Определение иерархии масс очень важно для анализа данных неускорительных экспериментов, в которых пытаются выяснить, является ли нейтрино дираковской или майорановской частицей. Нарушение СР-инвариантности позволит лучше понять природу ассиметрии в распределении вещества и антивещества, которая наблюдается во Вселенной, состоящей главным образом из материи (протоны, нейтроны, электроны и т.д.) и небольшой доли антиматерии (антипротоны, антинейтроны, позитроны и т.д.).

В эксперименте NOvA работают с самыми мощными в мире пучками нейтрино и антинейтрино, которые генерируются в Фермилабе. В этом эксперименте для уменьшения систематических ошибок используются два детектора — меньший в Фермилабе вблизи источника нейтрино, а больший на расстоянии более 800 километров от источника нейтрино. На дальнем детекторе, начиная с 2014 года, были зарегистрированы 82 (33) события, обусловленных взаимодействием электронных нейтрино (антинейтрино), которые появились в пучках мюонных нейтрино (антинейтрино) в процессе осцилляций.  В результате обновленного анализа последних данных, получены указания на иерархию масс нейтрино и соответствующие им ограничения на степень нарушения СР-инвариантности".

Если эта инвариантность сохраняется, вероятности осцилляций в вакууме мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные одинаковы, а в случае максимального СР-нарушения они заметно отличаются. При нормальной иерархии масс, когда электронное нейтрино является самым легким, а тау-нейтрино самым тяжелым — получены указания на слабое нарушение СР-инвариантности и максимальное нарушение исключается с вероятностью 90%. При обратной иерархии масс, когда тау-нейтрино является самым легким, а мюонное нейтрино — самым тяжелым, результаты лучше описываются при максимальном СР-нарушении. В тоже время, обратная иерархия масс исключается с вероятностью не выше 68%. Таким образом, результат эксперимента NOvA предпочитает нормальную иерархию масс, исключая обратное упорядочивание с достоверностью 68% и слабое нарушение СР-инвариантности. Ранее результаты данного эксперимента исключали обратную иерархию масс с достоверностью 90%.

В эксперименте Т2К пучок (анти)нейтрино из ускорителя J-PARC направлен в детектор Super-Kamiokande, который находится на расстоянии 295 километров от ускорителя. В этом эксперименте также используются два детектора, и ближний детектор находится на расстоянии 280 метров от протонной мишени. В детекторе Супер-Камиоканде, начиная с 2009 года, были зарегистрированы 108 (16) событий от взаимодействия электронных нейтрино (антинейтрино), которые появились в результате осцилляций мюонных нейтрино (антинейтрино) при прохождении от ближнего к дальнему детектору. Коллаборация Т2К усовершенствовала свой анализ и увеличила статистику событий от электронных нейтрино (RUN 1-10). Как и в предыдущем анализе (RUN 1-9), результаты которого опубликованы в журнале Nature 589, 339, 2020, было получено указание на сильное СР-нарушение, и этот результат слабо зависит от иерархии масс нейтрино. Сохранение СР-инвариантности при этом исключалось с высокой достоверностью 99%. Однако новые ограничения исключают сохранение СР-инвариантности с достоверностью не более 90%. 

Таким образом, несмотря на многолетние исследования, в которых было измерено большинство параметров осцилляций, вопросы об иерархии масс нейтрино и о нарушении СР-инвариантности в нейтринном секторе остаются открытыми.  Прежде всего, это связано с низкой статистикой событий и систематическими неопределенностями экспериментов. Сейчас эксперимент NOvA и Т2К исключают обратную иерархию масс с достоверностью не выше 68% и указывают на нарушение СР-инвариантности с достоверностью не более 90%. Таким образом, выводы которые можно сделать из представленных данных являются менее категоричными, по сравнению с предыдущими результатами. Следует отметить, что слабое нарушение этой симметрии наблюдается и в кварковом секторе, но оно недостаточно для объяснения наблюдаемого дисбаланса между веществом и антивеществом во Вселенной.

«Кроме того, результаты экспериментов NOvA и T2K о степени СР-нарушения взаимоисключают друг друга с вероятностью ~90%. Компромисс может быть достигнут, если предположить обратную иерархию масс. Тогда оба эксперимента указывают на сильное нарушение СР-инвариантности, но в этом случае тау-нейтрино должно быть самым легким, а мюонное нейтрино —самым тяжелым», - сказал участник эксперимента NOvA, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Анатолий Буткевич.

В настоящее время эти коллаборации продолжают совместный анализ своих данных. Имеющиеся расхождения не являются статистически значимыми и они, вероятно, будут разрешаться по мере набора новых данных. С этой целью предложено проведение экспериментов нового поколения в США (эксперимент DUNE) и в Японии (эксперимент ГиперКамиоканде).  В этих экспериментах будут использоваться детекторы с новыми технологиями регистрации частиц и существенно увеличенными эффективными объемам, а также сверхмощные пучки нейтрино.

Дата публикации: 10.07.2020 09:32
Дата последнего изменения: 10.07.2020 09:32