В поисках стерильного нейтрино

В Институте ядерных исследований РАН полным ходом идет эксперимент по поиску стерильного нейтрино. Точнее, в институте идет два таких эксперимента, сейчас речь об одном из них: Baksan Experiment on Sterile Transitions, или просто BEST. В день науки, 8 февраля, руководитель эксперимента Владимир Николаевич Гаврин, чл.-корр. РАН, был объявлен человеком года в Троицке, что является прекрасным поводом рассказать об эксперименте подробнее.

В Стандартной модели элементарных частиц есть три типа нейтрино — слабовзаимодействующих нейтральных частиц малой массы. Они неплохо изучены. У них выявлена интересная особенность — они «смешиваются» друг с другом. Это значит, что у каждого типа нейтрино нет своей определенной массы при распространении в вакууме, масса есть только у комбинации волновых функций разных типов нейтрино. Из-за этого возникает интересный квантомеханический эффект: нейтринные осцилляции. Нейтрино, будучи испущенным как частица одного типа, на некотором расстоянии от источника становится частицей другого типа, что выясняется при его взаимодействии.

Параметры смешивания трех известных типов нейтрино достаточно хорошо исследованы, их массы точно не известны, но ограничены сверху экспериментами и космологией. Однако уже давно стоит вопрос: а нет ли четвертого типа нейтрино? В нем нет смертельной необходимости, но четвертое нейтрино вполне допускается совокупностью данных, если оно «стерильно», то есть практически не взаимодействует с веществом. Некое указание на четвертый тип нейтрино пришло из космологии: нейтрино должны влиять на карту реликтового излучения. Ранние данные микроволнового телескопа WMAP лучше соответствовали четырем типам нейтрино, более поздние данные «Планка» скорей указывают на три типа, но не исключают четвертый.

Если стерильное нейтрино существует, оно может играть интересную роль в космологии. Если его масса сотни электронвольт и выше, то оно может претендовать на роль темной материи, если около электронвольта — то лишь на некий вклад в темную материю. В любом случае поиск стерильного нейтрино оправдан — это поиск Новой Физики, не укладывающейся в Стандартную модель.

Как можно найти новое нейтрино, если оно не взаимодействует с веществом? По смешиванию с обычными нейтрино, если таковое имеет место. Нейтрино будут исчезать на лету (на самом деле — переходить в стерильный тип), и это можно увидеть в эксперименте.

Эксперимент BEST рассчитан на поиск исчезновений нейтрино небольших энергий на короткой пролетной базе. Он организован на основе галлий-германиевого детектора солнечных нейтрино, давным-давно функционирующего в Баксанской подземной нейтринной обсерватории (в Кабардино-Балкарии). Солнечные нейтрино, взаимодействуя с галлием, превращают его в радиоактивный изотоп германия, который потом пересчитывается по атомам благодаря радиоактивному распаду.

В новом эксперименте прямо в 50-тонную галлиевую мишень галлий-германиевого нейтринного детектора погружают мощный источник: изотоп хрома ⁵¹Cr, испускающего электронные нейтрино энергии 0,75 МэВ. Объем детектора поделен на две части — внутренний и внешний (рис. 1). Если стерильное нейтрино существует и смешивается с электронным нейтрино, а его масса порядка 1 эВ, то во внешнем объеме часть нейтрино перейдет в стерильную форму. Значит, во внешнем объеме должно образоваться меньше атомов радиоактивного германия на единицу массы галлия.

Вот, собственно, и вся идея эксперимента. Остается добавить, что он проводится в штольне глубоко под горой Андырчи в Баксанском ущелье (рис. 2). Это нужно для того, чтобы избавиться от фона космических лучей. Штольня специально прокладывалась для нейтринных и других экспериментов, требующих низкого фона. Экспериментальный зал находится на глубине около полутора километров под горой, на такой глубине уже довольно жарко, около 30°С. (Более подробное описание эксперимента: [1].)

Мы обратились к Владимиру Гаврину с некоторыми дополнительными вопросами.

— В чем смысл поиска стерильных нейтрино именно на короткой базе — при малом расстоянии от источника до детектора?

— Короткая база, или малое расстояние от источника до детектора (в случае BEST — до мишени), является следствием размещения источника в центре мишени, что позволяет полностью использовать нейтринный поток, излучаемый источником. Также большое значение имеют малые размеры источника, его монохроматичность и высокая плотность металлической галлиевой мишени. Но особый интерес представляет именно очень короткая база в BEST, к которой еще ни один эксперимент не приближался. Можно назвать ее terra incognita. Я не берусь сейчас обсуждать это в деталях, так как мне самому в этой области многое неясно.

— Насколько мне известно, одним из аргументов к поиску стерильного нейтрино была так называемая нейтринная аномалия, наметившаяся в других экспериментах. Не могли бы вы сказать пару слов по поводу этого явления?

— Термин «нейтринная аномалия» стал применяться в нейтринных экспериментах, когда отличие экспериментально полученного результата от ожидаемого результата не могло быть объяснено на основе имеющихся знаний. Именно наличие таких аномалий стало главным аргументом к поиску стерильного нейтрино. Приведу несколько примеров.

На протяжении многих лет все прямые экспериментальные данные неплохо укладывались в схему с тремя активными нейтрино: есть две ненулевые разницы квадратов масс нейтрино, два больших и один малый углы смешивания. Единственным исключением был эксперимент LSND, который заявил об обнаружении осцилляций между мюонными и электронными анти­нейтрино (в потоке мюонных антинейтрино от ускорителя были зарегистрированы электронные нейтрино), соответствующих разности квадратов масс около 1 эВ2. Этот результат не вписывался в стандартную схему трех нейтрино и требовал введения в теорию как минимум одного легкого стерильного нейтрино. Результаты проверки существования осцилляций с такими параметрами в различных экспериментах (NOMAD, KARMEN) оказались противоречивыми, полностью всю область параметров, заявленную экспериментом LSND, исключить не удалось. Для проверки результата эксперимента LSND создавался эксперимент MiniBooNE, работающий с довольно широкими пучками нейтрино и антинейтрино, в обоих случаях наблюдается «аномальное поведение». Последний результат анализа данных ускорительного эксперимента MiniBooNE подтвердил результат эксперимента LSND [2].

К тому же, были пересмотрены оценки потоков реакторных антинейтрино, так что результаты соответствующих экспериментов (с расстояниями от реакторов менее 100 м) стали указывать на некоторый дефицит (к сожалению, неопределенность оценок довольно велика), что также поддержало гипотезу об осцилляциях электронных антинейтрино с параметром Δm² ~1 эВ².

Полученные в последнее время результаты в реакторных экспериментах также противоречивы.

Так, короткобазовый реакторный эксперимент DANSS (расстояние от ядра реактора до детектора от 10,7 до 12,7 м) не наблюдает исчезновения электронных нейтрино и исключает большую область осцилляционных параметров, предпочтительных для «аномальных» результатов галлиевых и предыдущих короткобазовых реакторных экспериментов [3]. В то же время в реакторном эксперименте «Нейтрино-4» подтверждается эффект, предсказанный в галлиевом и реакторном экспериментах, но при больших значениях: Δm² ~7 эВ².

— К какому диапазону масс стерильного нейтрино чувствителен эксперимент?

— Порядка одного электронвольта.

— В свое время планировался аналогичный эксперимент SOX в Италии. Он был закрыт из-за противодействия местных активистов-экологов, протестующих против транспортировки радиоактивного источника в их регионе. В чем сходство и в чем отличие вашего эксперимента от SOX?

— Сходство — в использовании искусственных нейтринных (антинейтринных) источников высокой активности вблизи (внутри) детекторов. Это дает с высокой точностью знание нейтринного потока (практически моноэнергетического) от источника и высокую скорость взаимодействия с мишенью.

Эксперимент SOX должен был видеть в жидкосцинтилляционной мишени детектора осцилляции на различных расстояниях от источника, как в BEST, в пределах пространственного разрешения (порядка 20 см) на расстоянии около 2,7 м (радиус детектора). В этом преимущество, поскольку эксперимент BEST имеет только две зоны.

— В Институте ядерных исследований РАН проводится поиск стерильных нейтрино в бета-распаде трития. Насколько цели этих двух экспериментов пересекаются?

— Оба этих эксперимента, конечно, имеют одну цель. И очень важно, что для этой цели используются различные методы. Эксперименты не дублируют друг друга, в бета-распаде трития ищется стерильное нейтрино большей массы — примерно от десятков эВ до нескольких кэВ.

— Когда планируется получить научно-значимую статистику и опубликовать результат?

— В июне 2020 года.

Владимир Гаврин
Беседовал Борис Штерн

Иллюстрации из описания эксперимента [1]

1. inr.ru/rus/bno/best.pdf
2. Aguilar-Arevalo A. A. et al. Significant Excess of Electronlike Events in the MiniBooNE Short-Baseline Neutrino Experiment. Physical Review Letters 121.22 (2018).
3. Alekseev I. et al. Search for Sterile Neutrinos at the DANSS Experiment. Physics Letters B787 (2018): 56–63.