Поиск стерильных нейтрино

В эксперименте BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions), выполняемом в Баксанской нейтринной обсерватории ИЯИ РАН, получены новые данные, подтверждающие наличие так называемой «галлиевой аномалии» (дефицита электронных нейтрино), которая может свидетельствовать о существовании стерильного нейтрино ν_s [1]. Галлиевая аномалия ранее была обнаружена в экспериментах SAGE и GALLEX по регистрации нейтрино от Солнца на основе реакции ⁷¹Ga(ν_e,e⁻) ⁷¹Ge. Во время калибровки детекторов радиоактивными источниками темп счёта оказался ниже, чем ожидалось. Возможным объяснением служит превращение (осцилляции) части электронных нейтрино в стерильные нейтрино ν_e→ν_s, не участвующие напрямую в слабых взаимодействиях. Гипотетические ν_s пока достоверно не обнаружены, но некоторые указания на их существование были получены в осцилляционных экспериментах. Достаточно массивные ν_s также могли бы составлять «тёплую» тёмную материю во Вселенной. В новом галлиевом эксперименте BEST В.Н. Гаврин (Институт ядерных исследований РАН) и его коллеги регистрировали нейтрино от радиоактивного источника ⁵¹Cr с хорошо известной активностью, подготовленного на реакторе в Димитровграде. В детекторе BEST применялись два объёма галлия на различных средних расстояниях до источника. Наличие двух длин осцилляции снижает теоретические неопределенности. Также при интерпретации результатов использовалось уточненное сечение реакции — это даёт большую уверенность в том, что все ядерно-физические процессы учитываются корректно. Дефицит ν_e по новым измерениям составил 20-24 %, а общая достоверность наличия галлиевой аномалии увеличилась от 2-3 σ до более чем 5 σ [2]. Тем самым, повышается вероятность существования ν_s, если не будут найдены другие причины расхождения. При этом наиболее вероятными значениями массового параметра и угла смешивания ν_s являются Δ m²≈1,25 эВ² и sin²θ≈0,34 (с учётом данных SAGE и GALLEX). В другом эксперименте BeEST (Beryllium Electron capture in Superconducting Tunnel junctions) впервые получено ограничение на ν_s с использованием β-распадов ⁷Be→⁷Li [3]. Ядра ⁷Be были внедрены в квантовый сенсор, представляющий собой сверхпроводящий туннельный контакт. Наблюдались распады с захватом одного из электронов с электронной оболочки в ядро атома. При этом вылетает (не регистрируемое в эксперименте) нейтрино, а ядро получает отдачу. Энергия отдачи возбуждает электроны, вызывая тем самым скачки туннельного тока. В спектре энергии отдачи наблюдались четыре пика, соответствующие основным и возбуждённым состояниям ядер ⁷Li. При наличии ν_s спектр должен был бы получить искажения. На достигнутом уровне точности этот эффект не обнаружен. Полученное ограничение на элемент матрицы смешивания ν_e с ν_s в интервале масс 100-850 кэВ на порядок величины лучше, чем ограничения по данным других экспериментов. Поиск ν_s проводится также в эксперименте NOvA, в котором принимают участие учёные из ИЯИ РАН, ОИЯИ и ФИАНа [4]. Измерения выполняются с помощью двух детекторов на расстояниях 1 и 810 км от ускорительного источника антинейтрино в Фермилабе, но осцилляций в ν_s пока не обнаружено. Отсутствие заметного вклада ν_s позволило получить дополнительные ограничения на углы смешивания и массовые параметры. Для достоверных выводов о существовании ν_s требуются дальнейшие исследования. [1] Barinov V V et al., arXiv:2109.11482 [nucl-ex] [2] Barinov V, Gorbunov D, arXiv:2109.14654 [hep-ph] [3] Friedrich S et al. Phys. Rev. Lett. 126 021803 (2021) [4] Acero M A et al. Phys. Rev. Lett. 127 201801 (2021)