Астрофизики приблизились к разгадке тайны нейтрино

Нейтрино рождаются в самых энергичных местах, включая ядро Солнца или недры взрывающихся звезд. Они существуют в трех различных типах, которые могут спонтанно меняться во время движения (такой процесс называется осцилляцией). Будучи элементарными частицами, нейтрино не состоят из чего-либо меньшего, что делает их одними из фундаментальных строительных блоков в космическом пространстве. В отличие от протонов или электронов, они не несут электрического заряда. Понимание их природы важно для современной физики, поскольку эти частицы могут оказаться ключом к разгадке величайших тайн Вселенной, включая природу темной материи и темной энергии, а также внутреннее устройство сверхновых.

Американский эксперимент NOvA и японский T2K были нацелены на изучение осцилляций нейтрино, но использовали разные подходы. В рамках NOvA ученые направляли подземный пучок нейтрино на расстояние около 810 км от Национальной ускорительной лаборатории Ферми в Чикаго до детектора в Эш-Ривер (штат Миннесота). Во время эксперимента T2K пучок частиц посылался сквозь толщу земной коры на 295 км – из прибрежного японского города Токай к детектору в Камиоке. Так, оба проекта исследовали одно и то же явление, но использовали нейтрино с разной энергией, разные дистанции и по-разному устроенные детекторы. 

Объединив данные за почти 10 лет наблюдений, исследователи смогли добиться значительного прогресса в понимании нейтрино. Одной из главных нерешенных загадок оставалась масса нейтрино: ученые не знают точной массы трех типов нейтрино и даже не могут определить, какой из них является самым легким. Однако им удалось измерить крошечный разрыв в массе между двумя из трех типов нейтрино с беспрецедентной точностью — погрешность составила менее 2%. Это одно из самых точных измерений этого параметра из проведенных когда-либо.

Оба эксперимента также углубленно изучают, отличается ли процесс осцилляции для нейтрино и их античастиц — антинейтрино. «Этот вопрос особенно важен, поскольку он может помочь объяснить одну из самых больших загадок физики: почему вселенная состоит в основном из материи, а не из антиматерии», — поясняют исследователи.

Ответы на столь фундаментальные вопросы о Вселенной требуют экстремально высокой точности и статистической достоверности. Уже сейчас планируется проведение новых крупных экспериментов по изучению нейтрино. Среди них — инфраструктура DUNE, строящаяся в Иллинойсе и Южной Дакоте под руководством Fermilab, а также Hyper-Kamiokande, возводимая в японской префектуре Гифу. Другие уже действующие проекты включают китайский JUNO и телескопы, регистрирующие нейтрино, такие как KM3NeT на дне Средиземного моря и IceCube в Антарктиде.

Ранее исследование показало, что при столкновении нейтронных звезд ключевую роль играют нейтрино, способные менять свои типы. Этот процесс влияет не только на ход самого слияния, но и на то, какие элементы рождаются в таких катастрофах и какие сигналы доходят до Земли.

Фото CERN