Эксперимент NOvA представил убедительные доказательства осцилляций антинейтрино

Уже более трех лет в эксперименте NOvA наблюдают как нейтрино одного типа осциллируют в нейтрино другого типа при прохождении расстояния более 800 км. На конференции Нейтрино-2018 (Гайдельберг, Германия) коллаборация представила первые результаты, полученные с пучком мюонных антинейтрино, согласно которым мюонные антинейтрино осциллируют в электронные. Такие переходы никогда ранее не наблюдались с большой достоверностью.

Коллаборация NOvA использует самые мощные в мире пучки нейтрино и антинейтрино, которые генерируются в Фермилабе (США). В этом эксперименте используется два больших детектора частиц — меньший в Фермилабе вблизи источника нейтрино и намного больший на расстоянии более 800 км для измерения потоков мюонных и электронных нейтрино и антинейтрино.

В эксперименте NOvA осцилляции мюонных антинейтрино в электронные начали изучать в феврале 2017 года. Если бы антинейтрино не осциллировало, то ученые зарегистрировали бы на дальнем детекторе только пять событий-кандидатов на взаимодействие электронных антинейтрино. Однако, после анализа данных они обнаружили 18 событий, убедительно доказав, что мюонные антинейтрино осциллируют в электронные. Кроме того, с 2014 по 2017 годы в эксперименте на дальнем детекторе было зарегистрировано 58 событий от взаимодействия электронных нейтрино, которые появились в результате осцилляций мюонных нейтрино.

«Пучки антинейтрино генерировать гораздо сложнее, чем нейтринные пучки и антинейтрино с меньшей вероятностью взаимодействует в детекторе», - сказал Питер Шанахан из Фермилаба, сопредседатель коллаборации NOvA. «Этот первый набор данных является только частью нашей основной научной программы и то что мы наблюдаем число событий, которое намного больше чем мы ожидали в отсутствии осцилляций, демонстрирует влияние мощного пучка частиц, генерированного в Фермилабе, на нашу возможность изучать свойства нейтрино и антинейтрино.»

Переходы мюонных антинейтрино в электронные с большой достоверностью впервые зарегистрированы коллаборацией NOvA, хотя еще в 2017 году в эксперименте Т2К (Япония) наблюдали указания на эффекты, связанные с осцилляциями мюонных антинейтрино в электронные. Ученые из NOvA и Т2К коллабораций в ближайшие годы будут работать над совместным анализом своих данных. Основной целью эксперимента NOvA является измерение и сравнение вероятностей осцилляций мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные. Точные измерения этих вероятностей позволит ученым определить какой из трех типов нейтрино является самым легким, а какой самым тяжелым, т. е. определить иерархию масс нейтрино.

«Результаты совместного анализа данных об осцилляциях мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные указывают с достоверностью двух стандартный отклонений на то, что иерархия масс нейтрино является нормальной. Это значит, что электронные нейтрино являются самыми легкими, а тау нейтрино — самыми тяжелыми», - сказал участник эксперимента NOvA из Института ядерных исследований РАН, ведущий научный сотрудник Анатолий Буткевич. «Этот результат очень важен для анализа данных неускорительных нейтринных экспериментов».

То, что электронное нейтрино является самым легким нейтрино, означает, что в эксперименте KATRIN (Карлсруэ, Германия) ее масса будет измерена, если она больше 0.35 эв (электронвольт). В противном случае будут получены ограничение - масса электронного нейтрино меньше 0.25 эв. Другой важный вопрос связан с природой нейтрино. Является ли нейтрино дираковской частицей (существуют разные массивные состояния нейтрино и антинейтрино), или майорановской частицей (массовые состояния нейтрино и антинейтрино являются эквивалентными)? В случае, если нейтрино является майорановскими частицами, то возможен безнейтринный двойной бета-распад ядер с испусканием двух электронов, но без испускания нейтрино. При нормальной иерархии масс для обнаружения таких редких распадов необходимы детекторы с эффективными массами регистрации более пяти тонн. Сейчас в таких экспериментах используются детекторы с массами не более одной тонны. Природа нейтрино (дираковское или майорановское), масштаб абсолютных значений масс нейтрино и их иерархия являются ключевыми экспериментальными вопросами ответы на которые существенным образом повлияют на построение новой Стандартной модели элементарных частиц.

Коллаборация NOvA включает более 240 ученых из, почти, 50 институтов и университетов в семи странах: Бразилии, Колумбии, Чехии, Индии, России и США. Россия в этом эксперименте представлена тремя институтами: Институт ядерных исследований РАН, Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН и Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ — международный центр в г. Дубна).

Более подробную информацию можно найти на сайте коллаборации:

http://novaexperiment.fnal.gov,

английская версия пресс-релиза представлена на сайте:

https://www.interactions.org/press-release/nova-experiment-sees-strong-evidence-antineutrino