В недавней публикации в журнале Physical Review Letters представлен подробный анализ данных детектора MicroBooNE, в ходе которого изучался аномальный избыток нейтриноподобных событий, зафиксированных в ходе предшествующего эксперимента MiniBooNE.
В 1990 году в эксперименте LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) был обнаружен аномальный сигнал, указывающий на потенциальное существование стерильных нейтрино — четвёртого вида нейтрино помимо трёх известных (электронных, мюонных и тау-нейтрино).
MiniBooNE был создан для изучения этой аномалии с использованием той же методологии нейтринных лучей. Однако вместо того, чтобы разгадать тайну, MiniBooNE обнаружил собственную аномалию.
«MiniBooNE зафиксировал слишком много событий [электромагнитной природы], которые выглядели как электронные нейтрино в их детекторе», — объяснил Крис Торп, научный сотрудник Манчестерского университета и соавтор исследования. Одной из возможных причин избытка в MiniBooNE является существование нового вида нейтрино, но другие объяснения, такие как неправильно смоделированный фон или распадающиеся частицы тёмной материи, также могут стоять за аномалией.
Понимание природы аномалии стало целью MicroBooNE — детектора нового поколения, созданного специально для изучения избытка MiniBooNE. Этот новый анализ представляет собой первое всестороннее исследование с использованием полного пятилетнего набора данных MicroBooNE.
Эксперимент MiniBooNE использовал детектор, заполненный минеральным маслом, который идентифицирует электромагнитную активность через излучение света Черенкова — характерное голубое свечение, производимое частицами при движении со скоростью, превышающей скорость света в масле. Однако у технологии было критическое ограничение: невозможность точно отслеживать отдельные частицы или определять исходную частицу для электромагнитного сигнала.
«Они не могли отличить электрон, испущенный непосредственно в результате взаимодействия нейтрино, от электрона, произведённого как вторичное излучение от начального фотона», — объяснила Александра Треттин, научный сотрудник Манчестерского университета и соавтор. Эта двусмысленность имела решающее значение, поскольку нейтринные осцилляции, хотя и хорошо документированы, протекают слишком медленно, чтобы объяснить наблюдаемый избыток, что указывает на то, что аномалия может быть вызвана неправильно классифицированными фоновыми частицами, а не новыми физическими явлениями.
MicroBooNE был специально разработан для устранения этой неопределённости с использованием технологии жидкоаргонной времяпроекционной камеры, которая обеспечивает миллиметровое пространственное разрешение для реконструкции траектории заряженных частиц и определения их вида.
MicroBooNE работает в том же Booster Neutrino Beam в Фермилабе, что и MiniBooNE, располагаясь в 470 метрах от источника нейтрино. Такой подход обеспечивает исследование того же аномального нейтринного пучка с использованием значительно улучшенных методов обнаружения.
В основе эксперимента лежит жидкоаргонная времяпроекционная камера (LArTPC) — технология, которая функционирует как сложная 3D-камера для субатомных частиц. Заряженные частицы, образующиеся при взаимодействии нейтрино с ядрами аргона, ионизируют жидкий аргон во время своего прохождения через среду. Электрические поля дрейфуют эти электроны ионизации к проволочным плоскостям, которые записывают их точные позиции, создавая подробные треки, которые показывают путь каждой частицы, её энергию и идентичность.
Этот последний анализ знаменует собой первое использование полного пятилетнего набора данных MicroBooNE, соответствующего 1,11 × 10²¹ протонов на мишени, что на 70% больше, чем в предыдущих исследованиях.
Исследователи сосредоточились на двух дополнительных категориях событий: взаимодействиях, приводящих к образованию одного электрона без пионов, с дальнейшим подразделением по наличию видимых протонов.
«Мы разделили образцы данных на основе наличия протонов и выполнили анализ на разделённых образцах и объединённом образце, чтобы включить все возможные топологии сигналов, которые наблюдал детектор MiniBooNE», — пояснил Фань Гао, постдокторант Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и соавтор исследования. Разделение было критически важным, поскольку, хотя протоны были невидимы для MiniBooNE из-за того, что они двигались слишком медленно для создания излучения Черенкова, MicroBooNE мог точно их идентифицировать.
Чтобы напрямую проверить, можно ли объяснить избыток MiniBooNE электронными нейтрино, исследователи разработали две эмпирические модели, которые перевели наблюдаемую аномалию в прогнозы того, что должен увидеть MicroBooNE.
Первая модель, использованная в предыдущих анализах, предполагала, что избыток вызван энергетически зависимым усилением потока электронных нейтрино. Этот подход развернул данные MiniBooNE в зависимости от энергии нейтрино. Однако у этой первой модели был существенный недостаток: она не могла точно воспроизвести специфические характеристики электромагнитных ливней, которые фактически наблюдались в MiniBooNE, особенно их энергию и направленные свойства.
Команда разработала вторую, более сложную модель, которая сосредоточилась на фактических наблюдаемых параметрах, измеренных MiniBooNE: энергии и угле электромагнитных ливней. Результаты были однозначными.
Когда данные MicroBooNE были сопоставлены с обеими моделями сигналов, они не показали никаких доказательств, подтверждающих интерпретацию аномалии MiniBooNE электронными нейтрино.
«Мы сделали прогнозы с учётом и без учёта сигнала MiniBooNE и сравнили их с нашими данными, — сказал Торп. — Наши данные подтверждают прогноз, который не включает сигнал MiniBooNE, и наш анализ показывает, что вероятность статистической ошибки составляет менее 1%».
Исключение было особенно сильным для второй сигнальной модели, которая была исключена с уровнем достоверности более 99% по нескольким кинематическим переменным. Статистическая значимость достигла 2,9σ для первой модели и до 3,8σ для второй модели — значительно выше порога, который обычно считается значимым в физике элементарных частиц.
Хотя этот тщательный анализ окончательно исключает основное объяснение аномалии MiniBooNE, сам избыток остаётся необъяснённым, сохраняя потенциал для других причин.
«Сама аномалия остаётся статистически весьма значимым наблюдением, требующим объяснения, и многие другие гипотезы всё ещё актуальны», — сказала Треттин.
Несколько альтернативных объяснений всё ещё находятся в стадии изучения. Учитывая неспособность MiniBooNE разделить сигналы фотонов и электронов, избыток может быть вызван производством фотонов, а не электронами.
Физика за пределами Стандартной модели предлагает другие объяснения, включая стерильные нейтрино с аномальными взаимодействиями или частицы из гипотетических тёмных секторов.
«Некоторые другие физические процессы, которые выходят за рамки современных знаний в области физики элементарных частиц, также потенциально могут вызвать этот избыток. Все эти различные типы объяснений активно изучаются MicroBooNE и в рамках новой программы Fermilab Short Baseline Program», — отметил Гао.
В будущем детектор Short Baseline Near Detector (SBND), расположенный гораздо ближе к источнику нейтрино, предоставит значительно больше данных для дальнейшего ограничения систематических неопределённостей и проверки оставшихся гипотез с ещё большей точностью.