Стерильные нейтрино оказались результатом ошибки в расчетах

Так называемая галлиевая аномалия в поиске нейтрино оказалась результатом ошибки в расчетах. Исследование, сокрушившее гипотезу, которая убедительно объясняла расхождения между теорией и результатами измерений, принято к публикации в Physical Review Letters.

Для поиска неуловимых нейтрино применяются несколько принципиально разных способов детектирования. Широкой публике лучше известны черенковские детекторы — огромные подземные или глубоководные обсерватории. А точнее работают радиохимические, в которых нейтрино превращает галлий в германий — и таким образом его регистрируют.

Но вот загвоздка — галлиевые детекторы регистрируют примерно на 20% меньше нейтрино, чем предсказывает теория. С 1990-х, когда они были разработаны, физиков-теоретиков занимает эта галлиевая аномалия. Для ее объяснения они выдвинули гипотезу стерильных нейтрино — которые, в отличие от своих собратьев с ароматом, не участвуют в слабом взаимодействии.

Если бы эта идея подтвердилась, пришлось бы серьезным образом дополнять Стандартную модель элементарных частиц. Новая же работа показала, что никакой необходимости в этом нет — вся проблема, судя по всему, в математическом описании самих экспериментов.

Все началось с того, что ведущий автор исследования Маттео Кадедду из Национального института ядерной физики в Кальяри готовился читать курс по нейтрино. Предвидя вопросы студентов, он шаг за шагом проследил все выкладки, которые привели к выявлению галлиевой аномалии, и обнаружил деталь, достаточно любопытную, чтобы привлечь к ней внимание коллег.

«Постепенно это превратилось в своего рода одержимость. То, что начиналось как попытка досконально разобраться в старой формуле, чтобы понятно объяснить ее студентам, в итоге открыло совершенно новый взгляд на эту аномалию», — вспоминает профессор.

Новая частица не нужна

Когда нейтрино попадает в атом галлия, тот превращается в атом германия и испускает электрон. Чтобы подсчитать количество нейтрино в галлиевом детекторе, измеряют взаимодействие между образовавшимся германием и электроном, а затем восстанавливают исходные данные.

До сих пор физики традиционно исходили из того, что волновые функции электрона и нейтрино не меняются в пределах ядра превращающегося атома. Именно на эту деталь и обратили внимание Каддеду и его коллеги. К своему удивлению, они обнаружили, что отказ от этого допущения позволяет объяснить заявленный 20-процентный дефицит нейтрино — при условии, что ядро атома обладает определенными свойствами.

«Не нужно вводить новую частицу или новое взаимодействие», — подчеркивает исследователь.

Профессор Йоахим Копп из Майнцского университета имени Иоганна Гуттенберга называет работу «интересной версией, заслуживающей дальнейшего изучения». По его мнению, попытки расширить Стандартную модель, чтобы подогнать ее под экспериментальные данные, требуют «по-настоящему странных и тонко подстроенных теоретических моделей», поэтому новый анализ выглядит более перспективным. Однако чтобы окончательно разрешить нейтринную загадку, необходимо независимо измерить или рассчитать ядерную структуру галлия и германия.

Новая работа — это шаг в правильном направлении, согласен физик Анте Равлич из Университета штата Мичиган. «Придется дождаться более сложных расчетов, основанных на микроскопических ядерных моделях. Тем не менее работа наглядно демонстрирует, что более строгий учет волновой функции электрона и нейтрино может ощутимо повлиять на возможное разрешение аномалии», — комментирует он.

Что дальше

Равлич ожидает новых исследований по этому вопросу от физиков-ядерщиков, тем более что нейтрино не только служат проверкой Стандартной модели, но и играют важную роль в астрофизических процессах, например при взрывах массивных звезд, а стерильные нейтрино претендовали на роль кандидатов в частицы темной материи.

Для улучшения своего «нестерильного» объяснения галлиевой аномалии авторы исследования намерены объединить усилия с коллегами, специализирующимися на изучении ядерной структуры атомов.