Нови научни резултати потвърждават аномалия, наблюдавана и при предишни експерименти, което може да насочи към все още непотвърдена нова елементарна частица - стерилното неутрино.

Има три известни видове неутрино (аромати), а някои теоретични модели предричат ​​съществуването на още един вид по-неуловимо четвърто неутрино. То е обявено за "стерилно неутрино", защото никога не са регистрирани физически сблъсъци с тези частици. Стерилното неутрино би си взаимодействало с обикновената материя само гравитационно, което го прави възможен кандидат за тъмна материя - вещество, което не се излъчва или отразява светлината и също се проявява само чрез взаимодействието си с обикновената материя чрез гравитацията.

Възможно е откритите сега аномалии да наложат и ново тълкуване на аспект от Стандартния модел, като например напречното сечение* на неутриното, измерено за първи път преди 60 години.

* Напречното сечение е мярка за вероятността дадено атомно ядро или субатомна частица да прояви специфична реакция например абсорбция, промяна в посоката на движение при сблъсък или делене във връзка с определен вид падаща частица.

Елементарната частица неутрино 

Неутриното е елементарна частица, което означава, че за разлика от протоните и неутроните не се състои от други частици. За тези, за които това е новина - протоните и неутроните са съставени от по три кварка. А неутриното, както кварките, не може да се разлага повече. То е "лептон" заедно с добре познатите електрони и тау-частиците и мюоните.

Стандартния модел е съвременна и най-непротиворечива работна теория, описваща всички известни взаимодействия на елементарните частици и завършена с откритието на Хигс бозона. И е потвърдена с изключителна точност. Ето и къде е мястото на неутриното (обозначено с ν) в Стандартния модел:

Фермиони:

• Кварки - горен кварк, долен кварк, чаровен кварк, странен кварк, върховен кварк, дънен кварк
• Лептони - електронно неутрино, мюонно неутрино, тау-неутрино, мюон, електрон, тау-лептон

Бозони:

• Калибровъчни бозони - глуон, W и Z бозони, фотон
• Други бозони - бозон на Хигс, гравитон (извън Стандартния модел)
• атоми ядра електрони кваркиИлюстрация:wikipedia
• Уникалното неутрино

Тази частица е уникална с това, че почти няма маса и почти не взаимодейства. От четирите фундаментални взаимодействия - силно, електромагнитно, слабо и гравитационно - участва само в последните две и тъй като е изключително лека частица, гравитацията слабо й влияе.

Слабото взаимодействие, в което участват всички материални частици, осъществява радиоактивния разпад и ядрения синтез в звездите и в частност - производството на деутерий и хелий от водород в термоядрения синтез на нашето Слънце. Може да се каже, че тези взаимодействия са в основата и на живота.

Неутриното са най-многобройните частици материя във Вселената, те са навсякъде около нас - един трилион слънчево неутрино ни пронизват всяка секунда, но защото толкова рядко взаимодействат, не можем да ги усетим и е почти невъзможно да се уловят.

Друга странност на неутриното е, че има три вида неутрино (аромати, поколения) - електронно, мюонно и тау неутрино, които са наречени на съответната частица от групата на лептоните, с която се раждат.

Осцилациите и масата на неутриното 

Трите поколения неутрино са почти идентични и могат да се превръщат от един вид в друг - още една необикновена черта на тези частици

Тази трансформация изисква три неща:

1. масата на неутриното да не е нулева,
2. различните видове неутрино да имат различни маси,
3. неутриното с определен аромат е квантова комбинация с неутрино с определена маса ("неутринно смесване").

От трите, може би последното изглежда най-неясно. Ако неутриното има определена идентичност - електронно, мюонно или тау неутрино, то няма маса, контретно свързана с лептонния му тип, а някаква комбинация от неутрино с различни маси: електронна, мюонна и маса на тау неутрино.

И това е точно в съответствие с формулирания от Хайзенберг през 1927 г. принцип на неопределеността в квантовата механика. Той твърди, че никоя физическа система не може да се намира в състояние, при което две нейни характеристики - координатите и импулса й (скоростта, кинетичната енергия и др.) едновременно приемат напълно определени значения.

Може да се каже, че осцилациите на неутриното са макроскопична илюстрация на квантовите закони - нещо, което се среща при частиците само при температури, близки до абсолютната нула.

Измерването на дължината на осцилациите позволява да се намери разликата между масите на неутриното, всъщност, разликата от квадратите на масите. Но тези измервания няма да помогнат да се установи общия мащаб на масите. Те са някъде около милиелектронволт (MeV), но колко точно - не е известно. Това е нужно да се разбере за да се установи теоретичния модел на неутриното. Това може да стане само с експеримент, но който да не измерва осцилациите, а да е спектроскопски, въз основа на точно измерване на енергиите на електрона в радиоактивни разпади.

Такааки Каджита и Артър Макдоналд получават Нобелова награда за физика 2015 г. за експериментално потвърждение на неутринните осцилации.

На лов за "стерилни неутрино", четвъртият "аромат"

Физиците прекарват десетилетия на лов за "стерилни неутрино", четвърти "аромат" или вид към трите известни неутрина.

Националната лаборатория в Лос Аламос работи също по тази садача съвместно с експеримента Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), чиито резултати са публикувани наскоро в списанията Physical Review Letters и Physical Review C.

"Резултатите са много вълнуващи", казва Стив Елиът (Steve Elliott), водещ анализатор на един от екипите, оценяващи данните, и член на отдела по физика на Лос Аламос. "Това определено потвърждава аномалията, която наблюдавахме при предишни експерименти. Но не е ясно, какво означава това. В момента има противоречиви резултати за стерилното неутрино. Ако те покажат, че фундаменталните закони на ядрената или атомната физика са погрешно разбрани, това също би било много интригуващо".

На повече от километър под земята в Baksan Neutrino Observatory в Кавказките планини. BEST използва 26 облъчени с радиация диска от хром 51 (синтетичен радиоизотоп на хрома и източник на електронно неутрино с мощност 3,4 мегакурия), за да облъчи вътрешен и външен резервоар от галий (мек, сребрист метал, използван и в предишни експерименти, макар и в един резервоар). Реакцията между електронните неутрино от хром 51 и галия води до образуването на изотопа германий 71.

Измерената скорост на производство на германий 71 е с 20-24 % по-ниска от очакваната въз основа на теоретичните изчисления. Тази разлика е в съответствие с аномалията, наблюдавана при предишни експерименти.

Разположена дълбоко под земята в обсерваторията за неутрино Баксан в Кавказките планини в Русия, завършената двузонова галиева мишена, вляво, съдържа вътрешен и външен резервоар с галий, който се облъчва от източник на електронно неутрино. Кредит: A.A. Шихин

BEST се основава на експеримента със слънчеви неутрино, Soviet-American Gallium Experiment (SAGE) в края на 80-те години на миналия век. Този експеримент също използва галий и високоинтензивни източници на неутрино. Резултатите от това и други изследвания показват недостиг на електронни неутрино - несъответствие между прогнозираните и действителните резултати, което става известно като "галиева аномалия". Интерпретацията на дефицита би могла да бъде доказателство за осцилации между състоянията на електронното неутрино и стерилното неутрино.

Гореспоменатата аномалия се потвърди и от експеримента BEST. Възможните обяснения отново включват осцилация в стерилното неутрино.

Хипотетичната частица може да представлява толкова търсената частица на тъмната материя. Това тълкуване обаче се нуждае от допълнителен анализ, тъй като количеството от всеки резервоар, макар и по-ниско от очакваното, било приблизително еднакво.

Други обяснения за аномалията включват възможността за грешка в теоретичните входни данни за експеримента - нужда от преработка на физичните изчисления. Елиът посочва, че напречното сечение на електронното неутрино никога не е било измервано при тези енергии. Например теоретичният начин за измерване на напречното сечение, който е труден за потвърждение, е електронната плътност в атомното ядро.

Методологията на експеримента е внимателно прегледана, за да се гарантира, че не са допуснати грешки в изследването, като например разположението на източника на радиация или работата на системата за отброяване. Бъдещите итерации на експеримента, ако бъдат проведени, могат да включват различен източник на лъчение с по-висока енергия, по-дълъг период на полуразпад и чувствителност към по-къси дължини на вълните на трептенията.

“Results from the Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST)” by V. V. Barinov et al., 9 June 2022, Physical Review Letters. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.232501

“Search for electron-neutrino transitions to sterile states in the BEST experiment” by V. V. Barinov et al., 9 June 2022, Physical Review C. DOI: 10.1103/PhysRevC.105.065502

Deep Underground Experiment Results Confirm Anomaly: Possible New Fundamental Physics, SciTechDaily