Након година пажљиве истраге, истраживачи који раде на експерименту Мицро Боостер Неутрино (МицроБооНЕ) су утврдили да честица о којој се дуго претпоставила позната као стерилни неутрино не постоји. О овој предложеној честици се нашироко расправљало као о могућем одговору на нерешене проблеме у физици честица. Извјештавајући о својим налазима у часопису Натуре, резултати тима значајно сужавају распон објашњења за једну од најупорнијих мистерија која укључује неутрине.
„Неутрини су неухватљиве фундаменталне честице које је тешко експериментално открити, али су међу најзаступљенијим честицама у универзуму“, рекао је помоћник професора физике УЦ Санта Барбара Давид Царателли, који је био координатор за физику за експеримент током анализе. Ранији експерименти, објаснио је он, дали су резултате који се не поклапају са постојећим сазнањима, што је навело научнике да спекулишу о присуству четвртог неутрина – „стерилног“ неутрина. Нова мерења МицроБооНЕ-а, међутим, показују да ова идеја није у складу са подацима.
Према Карателију, елиминисање хипотезе о стерилним неутринама представља велики корак напред. Резултат отвара пут за истраживање нових могућности и помаже у припреми терена за веће и напредније експерименте са неутринима.
Ово истраживање је добило делимичну подршку Канцеларије за науку Министарства енергетике САД и Националне научне фондације.
Зашто су неутрини и даље физичари загонетки
Стандардни модел пружа добро тестиран оквир за разумевање фундаменталних сила и честица које обликују универзум. Чак и тако, оставља нека главна питања без одговора.
„Знамо да Стандардни модел ради сјајан посао описујући мноштво феномена у свету природе“, рекао је Метју Тоупс, виши научник у Фермилаб-у и ко-портпарол МицроБооНЕ-а. „И у исто време, знамо да је непотпуна. Не узима у обзир тамну материју, тамну енергију или гравитацију.“
Неутрини представљају једну од ових празнина. Када је стандардни модел први пут развијен, претпостављало се да неутрини немају масу. Та претпоставка је почела да се разоткрива крајем 20. века, када су експерименти посматрања неутрина који долазе из свемира открили неочекивано понашање. Чинило се да су одређене врсте неутрина нестале док су путовале.
Научници су схватили да неутрини долазе у три облика, познати као ароме електрона, миона и тауа, и да се ови укуси могу мењати како се неутрини крећу кроз свемир. Овај процес, назван осцилација, имплицира да неутрини морају имати масу.
„Једини начин на који се ова осцилација може десити је ако неутрини имају масу“, објаснио је Каратели. „Ово је нешто што Стандардни модел није предвидео.
Хипотеза стерилног неутрина
Током 1990-их, даљи експерименти продубили су мистерију. Студије на детектору неутрина са течним сцинтилатором (ЛСНД) у Националној лабораторији у Лос Аламосу и касније у експерименту МиниБооНЕ у Фермилаб-у приметиле су да се мионски неутрини трансформишу у електронске неутрино на начине који се не могу објаснити коришћењем само три позната типа неутрина.
„Најпопуларније објашњење за ове аномалије у последњих 30 година био је хипотетички стерилни неутрино“, рекао је Џастин Еванс, професор на Универзитету у Манчестеру и ко-портпарол МицроБооНЕ-а.
За разлику од познатих неутрина, који ступају у интеракцију са другим честицама путем електрослабе силе, стерилни неутрино не би ступио у интеракцију са материјом на исти начин. Због тога је било изузетно тешко директно открити.
Како је МицроБооНЕ тестирао теорију
Да би ближе испитали ове аномалије, научници су изградили МицроБооНЕ у Фермилабу, детектор дизајниран да ухвати интеракције неутрина са невиђеним детаљима.
Између 2015. и 2021. године, експеримент је снимио неутрине произведене од два снопа на локацији Фермилаб. Ови снопови су послали неутрине у комору за временску пројекцију течног аргона, где су се њихове интеракције могле посматрати са великом прецизношћу.
„Ми производимо неутрине једне врсте и постављамо наше детекторе на оптималне положаје како бисмо максимално повећали вероватноћу проналаска овог стерилног неутрина“, рекао је Каратели. „У пракси, оно што смо урадили је да производимо мионске неутрине и ако би постојао стерилни неутрино, видели бисмо појаву електронских неутрина.
Тим је упоредио број откривених електронских неутрина са предвиђањима заснованим на моделима који су укључивали стерилни неутрино и моделима који нису. „У суштини, оно што смо тражили је ефекат појаве нових електронских неутрина изазваних овим осцилационим феноменом.
Резултати нису показали такав ефекат. Подаци су се поклапали са очекивањима за универзум без стерилних неутрина, ефективно искључујући постојање честице. Овај закључак се заснива на ранијем раду који је водила УЦ Санта Барбара група и објављеном у Пхисицс Ревиев Леттерс у лето 2025. године, који такође није пронашао вишак електронских неутрина.
Прекретница за истраживање неутрина
Иако је објашњење стерилног неутрина остављено по страни, оригиналне аномалије које су приметили ЛСНД и МиниБооНЕ нису у потпуности решене.
„Мислим да је то помало промена парадигме за нас“, рекао је Каратели. Пошто деценијама стара хипотеза више није одржива, истраживачи сада истражују шири скуп идеја које би могле да објасне чудна запажања и потенцијално расветле дубља питања, укључујући природу тамне материје.
„Имамо много разноврснији мени опција које истражујемо“, рекао је Каратели. Алати и технике рафинисани током МицроБооНЕ експеримента сада се примењују на сложеније студије са више детектора.
Једна алтернативна идеја укључује фотоне који су можда били погрешно идентификовани у ранијим експериментима или би могли да укажу на нову физику. Професор физике УЦ Санта Барбара и сарадник МицроБооНЕ Ксиао Луо недавно је објавио почетну анализу која испитује ову могућност. Очекује се да ће будући рад у оквиру Фермилабовог програма Схорт Баселине Неутрино истражити ова питања детаљније.
Гледамо напред у следећу генерацију експеримената
Истовремено, напредује се изградња Експеримента дубоког подземног неутрина (ДУНЕ). Изграђен миљу испод површине у подземној истраживачкој установи Санфорд у Јужној Дакоти, ДУНЕ ће бити највећи детектор неутрина икада створен. Примиће интензиван сноп неутрина високе енергије који се шаље кроз Земљу из Фермилаба, удаљеног 800 миља.
„МицроБооНЕ је велики — величине је школског аутобуса. Али ДИНА је величине фудбалског терена“, рекао је Каратели. Обим и прецизност ДИНЕ би могли да помогну да се одговори на питања не само о понашању неутрина, већ и о томе зашто универзум садржи више материје него антиматерије.
Према Царателију, МицроБооНЕ је играо кључну улогу у припреми научника за оно што следи.
„Једна од кључних ствари које је МицроБооНЕ урадио је да нам је свима дао поверење и научио нас како да користимо ову технологију за мерење неутрина са великом прецизношћу“, рекао је он. „Оно што смо научили са МицроБооНЕ-ом о томе како да анализирамо податке који долазе до детектора, све се директно односи на ДУНЕ.
