На прошлой неделе завершилась международная конференция по Нейтринной физике и Астрофизике NEUTRINO 2020, организатором которой выступила Национальная ускорительная лаборатория имени Ферми (Фермилаб, США).
На этой конференции международные коллаборации NOvA (Фермилаб) и T2K (Tokai-to-Kamioka, Япония), в которые входят и российские ученые, в частности, из Института ядерных исследований РАН, представили новые результаты, полученные с ускорительными пучками мюонных нейтрино и антинейтрино. Основной целью этих экспериментов является измерение и анализ вероятностей осцилляций мюонных нейтрино и антинейтрино в электронные. Точные измерения этих вероятностей позволят определить, какой из трех типов нейтрино является самым легким, а какой самым тяжелым, т. е. определить иерархию масс нейтрино, а также выяснить нарушается ли зарядово-пространственная СР-симметрия в нейтринном секторе. Это нарушение означает не инвариантность физических законов относительно зеркального отражения с одновременной заменой частиц на античастицы. Экспериментально оно проявляется в различии между вероятностями осцилляций для нейтрино и антинейтрино.
Определение иерархии масс очень важно для анализа данных неускорительных экспериментов, в которых пытаются определить, является ли нейтрино дираковской или майорановской частицей. Нарушение СР-инвариантности позволит лучше понять природу ассиметрии в распределении вещества и антивещества, которая наблюдается во Вселенной, состоящей главным образом из материи и небольшой доли антиматерии. Этот дисбаланс мог появиться в процессе возникновения из-за (СР-нарушения) лептон-антилептонной ассиметрии, на ранней стадии образования Вселенной.
В ходе конференции обе коллаборации ученых, NOvA (США) и T2K (Япония) представили свои достижения в области изучения СР-нарушений, которые конкурируют друг с другом. В эксперименте NOvA работают с самыми мощными в мире пучками нейтрино и антинейтрино, которые генерируются в Фермилабе. В этом эксперименте для уменьшения систематических ошибок используются два детектора — меньший в Фермилабе вблизи источника нейтрино, а больший на расстоянии более 800 километров от источника нейтрино. На дальнем детекторе, начиная с 2014 года, были зарегистрированы 82 (33) события, обусловленных взаимодействием электронных нейтрино (антинейтрино), которые появились в пучках мюонных нейтрино в процессе осцилляций. В результате обновленного анализа последних данных, получены указания на иерархию масс нейтрино и соответствующие им ограничения на фазу нарушения СР-инвариантности. Сохранению этой инвариантности соответствует значение δСР = 0 или π, а максимальному нарушению δСР = 1.5π. При нормальной иерархии масс (m1<m2<m3) получено наиболее вероятное значение фазы нарушения СР-инвариантности δСР = 0.86π (слабое СР-нарушение), а максимальное нарушение СР-инвариантности δСР = 1.5π исключается на 90% доверительном уровне. При обратной иерархии масс (m3 < m1<m2) получено наиболее вероятное значение δСР ~1.5π. В тоже время, обратная иерархия масс исключается всего лишь, на 68% доверительном уровне. Таким образом, результат эксперимента NOvA предпочитает нормальную иерархию масс и слабое нарушение СР-инвариантности.
В эксперименте Т2К пучок (анти)нейтрино из ускорителя J-PARC направлен в детектор Super-Kamiokande, который находится на расстоянии 295 километров от ускорителя. В этом эксперименте также используются два детектора, и ближний детектор находится на расстоянии 280 метров от протонной мишени. В детекторе Супер-Камиоканде, начиная с 2009 года, были зарегистрированы 108 (16) событий от взаимодействия электронных нейтрино (антинейтрино), которые появились в результате осцилляций мюонных нейтрино (антинейтрино) при прохождении от ближнего к дальнему детектору. Коллаборация Т2К усовершенствовала свой анализ и увеличила статистику событий от электронных нейтрино (RUN 1-10). Как и в предыдущем анализе (RUN 1-9), результаты которого опубликованы в журнале Nature 589, 339, 2020, было получено указание на максимальное СР-нарушение с наиболее вероятным значением δСР = 1.37π которое, слабо зависит от иерархии масс нейтрино. Новые ограничения на фазу δСР теперь исключают сохранение СР-инвариантности (δСР = π) с достоверностью не более 90%.
Таким образом, несмотря на многолетние исследования из-за статистических и систематических ошибок экспериментов вопросы об иерархии масс нейтрино и о нарушении СР-инвариантности в нейтринном секторе остаются открытыми. «Кроме того, результаты экспериментов NOvA и T2K взаимоисключают с достоверностью двух стандартных отклонений наиболее вероятные значения фаз δСР , полученные в этих экспериментах», – сказал участник эксперимента NOvA из Института ядерных исследований РАН, ведущий научный сотрудник Анатолий Буткевич. «Компромисс может быть достигнут, если предположить обратную иерархию масс, которая исключается коллаборацией NOvA на доверительном уровне ~68%. Тогда оба эксперимента указывают на сильное нарушение СР-инвариантности. Однако, в этом случае тау-нейтрино должно быть самым легким, а мюонное нейтрино – самым тяжелым».
Справочно:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской Академии наук (ИЯИ РАН) образован в 1970 году постановлением Президиума АН СССР на основе решения Правительства, принятого по инициативе Отделения ядерной физики АН СССР. Институт организован в целях создания современной экспериментальной базы и развития исследований в области физики элементарных частиц и высоких энергий, атомного ядра, физики и техники ускорителей, физики космических лучей, космологии и физики нейтрино. В состав ИЯИ РАН входят филиал Баксанская нейтринная обсерватория (пос. Нейтрино, КБР), сильноточный линейный ускоритель ионов водорода (г. Троицк, Москва) и Байкальский глубоководный нейтринный телескоп (Слюдянский район, Иркутская область).
