Стерильные нейтрино

Стерильные нейтрино — гипотетические частицы: четвёртый тип нейтрино, который не участвует даже в слабом взаимодействии. Тем самым они были бы ещё сдержаннее обычных нейтрино — заметными единственно благодаря тому, что смешиваются с ними.

Обнаружены они не были. Но есть несколько измерений, которые ими можно было бы объяснить.

Почему ровно три — и почему, может быть, всё-таки нет

В 1989 году в ЦЕРН измерили ширину распада Z-бозона. Из неё следует, со сколькими лёгкими типами нейтрино он может связываться. Результат был однозначен: три.

Но это измерение исключает четвёртый тип лишь в том случае, если тот ведёт себя как остальные. Нейтрино, которое вовсе не связывается с Z-бозоном, осталось бы невидимым. Именно это и означает слово стерильное.

Такая частица не участвовала бы ни в одной из известных сил, кроме силы тяжести. Заявить о себе она могла бы только через осцилляции нейтрино: обычное нейтрино временами переходило бы в стерильное состояние и тогда исчезало бы для любого детектора.

Указания

Несколько независимых измерений показывают дефицит, который не укладывается в картину:

Галлиевая аномалия. При калибровке SAGE и GALLEX искусственными источниками из хрома-51 и аргона-37 измеренная скорость счёта лежала на 10–20 процентов ниже рассчитанной. Эксперимент-преемник BEST подтвердил это в 2022 году.

Реакторная аномалия. После нового расчёта 2011 года реакторы дают примерно на шесть процентов меньше антинейтрино, чем ожидалось.

LSND и MiniBooNE. Два американских ускорительных эксперимента нашли больше электронных нейтрино, чем было предсказано, — LSND в 1990-е годы, MiniBooNE позже со сходным результатом.

Бросается в глаза, что все эти отклонения возникают на коротких расстояниях. Стерильное нейтрино с массой порядка электронвольта действовало бы именно там — на больших расстояниях устоявшихся экспериментов оно давно бы усреднилось.

Возражения

Дело отнюдь не решено, и многое говорит против.

Эксперименты вроде MINOS+, IceCube и Daya Bay целенаправленно искали подходящую картину осцилляций и ничего не нашли. Их области исключения перекрываются с той областью, на которую указывают аномалии, — стало быть, эти результаты между собой не согласуются.

Границы ставит и космология. Дополнительный лёгкий тип частиц ускорил бы расширение ранней Вселенной и изменил бы образование лёгких элементов. Наблюдения оставляют для этого мало простора.

И наконец, аномалии объяснимы поодиночке. При галлиевой аномалии обсуждается лежащий в её основе ядерный переход, при реакторной — бета-спектры урана-235, которые тем временем были подправлены.

Это самое неудовлетворительное положение, какое может быть у области исследований: несколько слабых указаний, объяснимых поодиночке, но вместе остающихся заметными.

Тяжёлый вариант

Наряду с лёгкой формой рассматривают и тяжёлые стерильные нейтрино, с массами порядка килоэлектронвольта или намного выше.

Такие частицы могли бы рассматриваться как тёмная материя. А в механизме качелей они и без того возникают — там тяжёлые правые партнёры есть не что иное, как стерильные нейтрино.

В этом виде идея вовсе не экзотична, а составляет часть одного из самых уважаемых объяснений малости массы нейтрино. Различие заключено в массе: тяжёлое стерильное нейтрино было бы теоретически хорошо обосновано, но недостижимо; лёгкое было бы измеримо, но его трудно разместить в теории.

Почему поиски продолжаются

Лёгкое стерильное нейтрино было бы первой частицей за пределами Стандартной модели, которую можно было бы получить в лаборатории. Ставка достаточно высока, чтобы заняться отклонением в несколько процентов, — даже если вероятность мала.

Родственные понятия

• SAGE — галлиевая аномалия
• Реакторные нейтрино — реакторная аномалия
• Механизм качелей
• Масса нейтрино

Источники

• Коллаборация BEST: Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions, Physical Review Letters 128, 232501 (2022).
• Particle Data Group: Review of Particle Physics, раздел Sterile Neutrinos.