Аномалии в короткобазовых экспериментах

Общая характеристика короткобазовых экспериментов

Короткобазовыми называются эксперименты, в которых расстояние от источника нейтрино до детектора невелико — от нескольких метров до сотен метров. Такие установки позволяют исследовать процессы осцилляций нейтрино на малых длинах волны и, соответственно, проверять существование новых степеней свободы, не описываемых стандартной трёхнейтринной парадигмой. Их ключевая особенность — возможность наблюдать эффекты, связанные с дополнительными массовыми состояниями нейтрино, предполагаемыми за пределами Стандартной модели.

Пространственная конфигурация короткобазовых экспериментов обеспечивает доступ к области параметров, где фаза осцилляции определяется выражением

$$ \Delta \varphi \approx 1.27 \, \frac{\Delta m^2 \, L}{E}, $$

где L — расстояние в метрах, E — энергия нейтрино в МэВ, а Δm2 — разность квадратов масс в эВ2. Для Δm2 ∼ 1 эВ2 при энергиях порядка нескольких МэВ характерные длины осцилляций оказываются как раз в диапазоне десятков метров, что делает короткобазовые эксперименты оптимальными для поиска аномалий.

Реакторные аномалии

Одним из наиболее заметных источников аномалий является так называемая «реакторная аномалия». Речь идёт о систематическом дефиците наблюдаемого потока электронных антинейтрино по сравнению с теоретическим предсказанием.

  • Величина дефицита составляет порядка 6–7 %.
  • Аномалия проявилась в результате обновлённых расчётов спектров распада продуктов деления урана и плутония.
  • Совокупный анализ десятков реакторных экспериментов (ILL, Bugey, NEOS и др.) показал согласованное смещение результатов относительно ожиданий.

Данное расхождение трактуется как возможный сигнал в пользу существования стерильного нейтрино с массой около 1 эВ, однако оно также может объясняться неточностями в моделировании спектров β-распадов.

Аномалии в экспериментах с источниками

Эксперименты с искусственными радиоактивными источниками нейтрино (например, калибровочные измерения в детекторах солнечных нейтрино GALLEX и SAGE) обнаружили недостаток событий по сравнению с ожидаемым числом.

  • Недостаток составлял около 10–20 %.
  • Эффект получил название «галлиевая аномалия».
  • Интерпретация аналогична реакторной: осцилляции с участием стерильного нейтрино могут объяснить дефицит.

Эти результаты усилили интерес к моделям расширенного сектора нейтрино.

Аномалии ускорительных экспериментов

Особое внимание привлекают результаты экспериментов LSND (Лос-Аламос) и MiniBooNE (Фермилаб), где были зарегистрированы избыточные события, интерпретируемые как появление электронных нейтрино в пучках мюонных нейтрино.

  • LSND (1990-е годы): зарегистрировал статистически значимый избыток электронных антинейтрино на расстоянии ~30 м при энергии ~40 МэВ.
  • MiniBooNE: подтвердил аналогичный эффект при других энергиях (несколько сотен МэВ) и базах (~500 м).

Интерпретация этих данных в рамках стандартных трёх нейтрино невозможна, так как они требуют дополнительного массового состояния с Δm2 ∼ 1 эВ2.

Однако сопоставление этих данных с ограничениями из других экспериментов (например, MINOS, Daya Bay, IceCube) показывает серьёзные противоречия. Многие измерения не подтверждают существование такого состояния, что порождает напряжённость между результатами.

Глобальные анализы и напряжённости

Совокупные глобальные анализы данных по короткобазовым экспериментам строятся в многомерном пространстве параметров (sin22θ, Δm2) и демонстрируют наличие нескольких противоречий:

  • Аномалии типа дефицита (реакторные и галлиевые) и типа избытка (LSND, MiniBooNE) не всегда согласуются друг с другом в рамках единой модели с одним стерильным состоянием.
  • Анализы в модели 3 + 1 (три активных нейтрино плюс одно стерильное) показывают наличие областей, совместимых с отдельными наборами данных, но исключаемых другими.
  • Более сложные сценарии (3 + 2, 3 + 1 + CP-нарушение) также не устраняют всех противоречий.

Таким образом, аномалии указывают на возможную новую физику, но их непротиворечивое объяснение до сих пор не найдено.

Современные и будущие исследования

Для проверки природы аномалий разрабатываются и проводятся новые эксперименты:

  • Reactor short-baseline experiments: DANSS (Россия), NEOS (Корея), STEREO (Франция), PROSPECT (США). Эти проекты измеряют спектр нейтрино на очень малых расстояниях от реактора (от 6 до 20 м), что позволяет искать осцилляционные искажения непосредственно по энергии.
  • Accelerator-based experiments: MicroBooNE, ICARUS и SBND в рамках программы Short Baseline Neutrino (SBN) на Фермилабе. Их задача — проверка аномалий MiniBooNE с использованием жидкоаргоновых детекторов, обеспечивающих лучшую идентификацию электронных и фотонных событий.
  • Source experiments: BEST (Россия) использовал источник 51Cr для повторной проверки галлиевой аномалии и подтвердил дефицит нейтрино с высокой статистической значимостью.

Эти проекты должны либо подтвердить наличие новых степеней свободы, либо окончательно связать наблюдаемые аномалии с систематическими ошибками в моделях или экспериментальной технике.

Фундаментальные последствия

Если аномалии действительно указывают на существование стерильных нейтрино или иной новой физики, это имеет глубокие последствия:

  • расширение Стандартной модели в лептонном секторе;
  • новые каналы взаимодействия тёмной материи;
  • модификация космологических моделей (изменение числа эффективных нейтринных степеней свободы Neff);
  • влияние на нуклеосинтез и формирование крупномасштабной структуры Вселенной.

Таким образом, короткобазовые аномалии представляют собой важнейший вызов современной нейтринной физике и одновременно одно из наиболее интригующих направлений поиска новой физики.

Оглавление