Физики ЦЕРН закрыли последний пробел в изучении самых редких нейтрино

© Fotolia / AbstractUniverse

«Мы повторно изучили все данные, собранные нашими детекторами, используя абсолютно новую методику анализа, учитывающую то, как «выглядят» подобные превращения. Нам удалось также измерить лептонное число тау-нейтрино, параметр, отличающий их от их «близнецов»-антинейтрино», — заявил Джованни де Леллис (Giovanni de Lellis), официальный представитель коллаборации OPERA.

Детектор OPERA, установленный в подземной итальянской лаборатории Гран-Сассо в Альпах, начал работу в 2008 году и закончил в 2012 году. Он фиксирует поток нейтрино, идущий к нему сквозь 730-километровую толщу горных пород от ускорителя в ЦЕРНе. Цель детектора: обнаружить осцилляции нейтрино, способность частиц «переключаться» между тремя типами: электронными, мюонными и тау-нейтрино.

Способность нейтрино к осцилляциям возможна только в том случае, если эта частица имеет ненулевую массу. От наличия массы у нейтрино зависят оценки массы Вселенной, а значит представления о ее дальнейшей судьбе. Кроме того, ненулевая масса нейтрино может объяснить тот факт, что Вселенная состоит из материи, а антиматерии в ней практически нет, хотя в момент Большого взрыва должны были возникнуть равные количества того и другого.

От ЦЕРНа в Гран-Сассо идет поток мюонных нейтрино, и если детектор замечает появление в их потоке тау-нейтрино, это означает, что превращение действительно произошло. Возможность этого была официально доказана только в июне 2015 года, когда ученые обнаружили следы пятого подобного превращения в данных, собранных OPERA.

Это открытие, как отмечал еще тогда де Леллис, только доказывало существование нейтринных осцилляций, но не позволяло физикам раскрыть его свойства и понять, что отличает тау-нейтрино от их антиподов-антинейтрино.

Для ответа на эти вопросы физикам из ЦЕРН пришлось разработать новую методику поиска этих «неуловимых» частиц в данных с детекторов OPERA. Если раньше ученые искали их «вслепую», то теперь, благодаря прошлым открытиям следов тау-нейтрино, им удалось выделить несколько характерных черт, отличающих их от других частиц.

К примеру, столкновения тау-нейтрино с ядрами атомов порождают тау-лептоны с определенной энергией и очень четко выверенным направлением движения, что позволяет находить их следы по распадам подобных тяжелых «кузенов» электрона внутри детекторов установки OPERA.

Как отмечают физики, изначально они ожидали увидеть не пять, а примерно семь подобных событий. В реальности их было значительно больше –  де Леллису и его коллегам удалось зафиксировать сразу десять случаев рождения тау-нейтрино. Это повысило статистическую значимость открытия подобных «перерождений» до шести сигма, что соответствует одной ошибке на миллиард попыток, и позволило ученым измерить лептонное число тау-нейтрино.

Под этим словом физики понимают особую квантовую характеристику, которая отличает античастицы от частиц обычной материи, к примеру, позитрон и электрон, и которая отвечает за «знак» заряда частиц, возникающих при взаимодействии электронных, мюонных и тау-нейтрино и атомных ядер. Эксперименты на OPERA показывают, что тау-нейтрино обладают тем лептонным числом — ноль, которое предсказывается стандартной моделью физики, что в очередной раз заставляет ученых гадать о том, откуда у нейтрино берется масса и куда пропала вся антиматерия Вселенной.