В поисках призрачных нейтрино: новые данные от NOvA

Автор: Денис Аветисян

Эксперимент NOvA продолжает расширять горизонты исследований, стремясь обнаружить следы стерильных нейтрино и раскрыть тайны нейтринных осцилляций.

Анализ стерильных нейтрино, проведенный экспериментом NOvA к 2025 году, позволил установить мировые лимиты исключения в пространстве параметров <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Delta m^{2}_{41}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\sin^{2}\theta_{24}, \sin^{2}\theta_{34}, \sin^{2}\theta_{\mu\tau} = \sin^{2}2\theta_{24}\sin^{2}\theta_{34}</span>, что свидетельствует о прогрессе в поиске отклонений от Стандартной модели физики частиц. — Анализ стерильных нейтрино, проведенный экспериментом NOvA к 2025 году, позволил установить мировые лимиты исключения в пространстве параметров $\Delta m^{2}_{41}$ и $\sin^{2}\theta_{24}, \sin^{2}\theta_{34}, \sin^{2}\theta_{\mu\tau} = \sin^{2}2\theta_{24}\sin^{2}\theta_{34}$ , что свидетельствует о прогрессе в поиске отклонений от Стандартной модели физики частиц.

В статье представлены результаты анализа текущих данных NOvA и перспективы использования потоков от Booster Neutrino Beam для повышения чувствительности поиска стерильных нейтрино.

Поиск новых физических явлений, выходящих за рамки Стандартной модели, сталкивается с ограничениями в изучении определенных областей параметров. В работе, посвященной ‘NOvA’s Current and Future Sterile Neutrino Searches’ представлен анализ данных эксперимента NOvA, направленный на поиск стерильных нейтрино в рамках модели 3+1, с использованием как мюонных нейтрино, так и нейтральных токов. Полученные результаты указывают на систематические ограничения в области параметров $\Delta m^2_{41} \gtrsim 1~\mathrm{eV}^2$ , что особенно важно в свете текущих аномалий, интерпретируемых как свидетельства существования стерильных нейтрино. Каким образом интеграция данных от нового источника — Booster Neutrino Beam — позволит расширить область поиска и повысить чувствительность эксперимента к этим фундаментальным частицам?

Нейтринные Аномалии: Признаки Новой Физики

Существующие теоретические модели, описывающие осцилляции нейтрино — процессы спонтанного превращения одного типа нейтрино в другой, — сталкиваются с трудностями при объяснении некоторых наблюдаемых аномалий. Эти расхождения между предсказаниями моделей и экспериментальными данными указывают на то, что Стандартная модель физики элементарных частиц может быть неполной. Аномалии, проявляющиеся в отклонениях от ожидаемых скоростей и вероятностей превращения нейтрино, заставляют ученых предположить существование новых, неизвестных взаимодействий или частиц, выходящих за рамки существующего теоретического каркаса. В частности, неполное соответствие наблюдаемых данных предполагает возможность влияния “новой физики”, требующей пересмотра фундаментальных представлений о природе нейтрино и их роли во Вселенной. Эти несоответствия служат мощным стимулом для проведения дальнейших исследований и экспериментов, направленных на раскрытие секретов этих неуловимых частиц и углубление понимания фундаментальных законов природы.

Наблюдаемые аномалии в исчезновении нейтрино, отклонения от предсказаний Стандартной модели, стимулируют активный поиск стерильных нейтрино — гипотетических частиц, взаимодействующих с известной материей исключительно слабо. Предполагается, что эти частицы не участвуют в сильных или электрослабых взаимодействиях, что делает их обнаружение чрезвычайно сложной задачей. Эксперименты, такие как поиск следов распада стерильных нейтрино или анализ аномальных скоростей осцилляций нейтрино, направлены на подтверждение или опровержение их существования. Обнаружение стерильных нейтрино не только расширит наше понимание фундаментальных частиц, но и может объяснить некоторые загадки космологии, такие как природа темной материи и дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной.

Изучение осцилляций нейтрино имеет первостепенное значение, поскольку позволяет глубже понять фундаментальные свойства этих неуловимых частиц и, как следствие, природу Вселенной. Нейтрино, взаимодействующие с материей исключительно посредством слабого взаимодействия и гравитации, являются уникальными посланниками, способными проникать сквозь огромные расстояния, не подвергаясь значительному поглощению. Анализ изменений во «вкусах» нейтрино — электронных, мюонных и тау-нейтрино — во время их распространения раскрывает информацию о массах этих частиц, которые, в свою очередь, влияют на процессы, происходившие в ранней Вселенной и формировавшие её структуру. Более того, $ν_e \leftrightarrow ν_μ$ осцилляции доказывают, что нейтрино обладают ненулевой массой, что требует расширения Стандартной модели физики элементарных частиц и открытия новых физических явлений, способных объяснить происхождение массы и структуру Вселенной.

Вероятности осцилляций, представленные как функция <span class="katex-eq" data-katex-display="false">L/E</span> для исчезновения нейтрино NC (слева) и мюонных нейтрино (справа), демонстрируют соответствие трех-вкусцовой модели осцилляций (черный цвет) и модели 3+1 с различными значениями <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> \Delta m^{2}_{41}</span>, при этом заштрихованная серая область отражает диапазон данных NOvA в ND при низких <span class="katex-eq" data-katex-display="false">L/E</span> и в FD при более высоких значениях. — Вероятности осцилляций, представленные как функция $L/E$ для исчезновения нейтрино NC (слева) и мюонных нейтрино (справа), демонстрируют соответствие трех-вкусцовой модели осцилляций (черный цвет) и модели 3+1 с различными значениями $\Delta m^{2}_{41}$ , при этом заштрихованная серая область отражает диапазон данных NOvA в ND при низких $L/E$ и в FD при более высоких значениях.

Длинная Базовая Линия: Подход Эксперимента NOvA

Эксперимент NOvA использует подход длинной базовой линии для изучения осцилляций нейтрино, что подразумевает регистрацию взаимодействий нейтрино в двух детекторах: ближнем (Near Detector) и дальнем (Far Detector). Ближний детектор, расположенный вблизи источника нейтрино, используется для точного определения начального потока и энергии нейтрино. Дальний детектор, расположенный на значительном расстоянии (порядка 300 км), регистрирует нейтрино, которые могли осциллировать — то есть изменить свой «вкус» (тип). Сравнивая данные, полученные в обоих детекторах, ученые могут точно измерить параметры осцилляций, такие как смешивание и разность фаз, что позволяет исследовать массы нейтрино и природу нейтринных осцилляций.

Эксперимент NOvA использует два источника пучков нейтрино: NuMI Beam и Booster Neutrino Beam, для обеспечения высокой интенсивности потока нейтрино, необходимого для точных измерений. NuMI Beam, созданный на протонном синхротроне, генерирует пучки, направленные на детекторы NOvA. Booster Neutrino Beam, использующий ускоритель бустера, предоставляет дополнительный источник нейтрино. Комбинация этих двух пучков позволяет эксперименту NOvA собирать статистически значимые данные, необходимые для изучения нейтринных осцилляций и определения параметров, характеризующих эти процессы.

Точное предсказание потока нейтрино, получаемое посредством детального моделирования (Flux Simulation), является критически важным для корректного анализа данных, полученных в эксперименте NOvA. К началу 2025 года экспериментом собрано 2.5 x 10²¹ POT (Protons-On-Target) данных, полученных при использовании пучка Бустера (Booster Neutrino Beam). Высокая точность моделирования потока необходима для точного определения параметров осцилляций нейтрино и отделения сигнала от фонового шума, учитывая низкое сечение взаимодействия нейтрино с веществом.

Комплекс Фермилаба генерирует два пучка нейтрино - BNB и NuMI - которые используются тремя действующими экспериментами по изучению нейтринных осцилляций, при этом детектор NOvA ND принимает нейтрино от пучка BNB под углом примерно <span class="katex-eq" data-katex-display="false">160</span> мрад (около <span class="katex-eq" data-katex-display="false">9.2</span> градусов). — Комплекс Фермилаба генерирует два пучка нейтрино — BNB и NuMI — которые используются тремя действующими экспериментами по изучению нейтринных осцилляций, при этом детектор NOvA ND принимает нейтрино от пучка BNB под углом примерно $160$ мрад (около $9.2$ градусов).

Реконструкция Событий: Извлечение Скрытого

Техники реконструкции событий являются основополагающими для определения характеристик взаимодействий нейтрино, поскольку детекторы регистрируют лишь косвенные признаки этих процессов. Нейтрино слабо взаимодействуют с веществом, что означает, что они могут проходить через большие объемы детекторного материала, не оставляя явных следов. Реконструкция событий включает в себя анализ зарегистрированных сигналов — например, треков частиц, энергии и времени — для восстановления траектории и энергии исходного нейтрино, а также идентификации типа взаимодействия (например, заряженного тока или нейтрального тока). Этот процесс требует сложных алгоритмов, учитывающих геометрию детектора, характеристики зарегистрированных частиц и статистические флуктуации, чтобы получить наиболее вероятное описание произошедшего взаимодействия и, следовательно, свойства исходного нейтрино.

Для повышения селективности выделения событий, обусловленных мюонными нейтрино, в анализе используются сверточные нейронные сети (CNN). Применение CNN позволило достичь чистоты выборки мюонных нейтрино на уровне 95%, что существенно снижает вклад фоновых событий и, как следствие, повышает точность определения параметров взаимодействий и чувствительность эксперимента к новым физическим явлениям. Оптимизация архитектуры и параметров обучения CNN проводилась на основе анализа данных, полученных от симуляций и экспериментальных измерений.

Чувствительность эксперимента к новым физическим явлениям количественно оценивается с использованием метода Асимова (Asimov Sensitivity). Данный подход позволяет определить способность эксперимента обнаружить отклонения от стандартной модели, моделируя гипотетический набор событий, соответствующих наилучшему соответствию нулевой гипотезе. Оценка значимости потенциальных сигналов основана на статистических методах, в частности, на теореме Уилка (Wilk’s Theorem), которая позволяет вычислить p-значение, характеризующее вероятность получения наблюдаемых данных при условии верности нулевой гипотезы. Использование теоремы Уилка обеспечивает строгое статистическое обоснование для определения порога обнаружения и исключения ложных сигналов, что критически важно для подтверждения открытия новых физических явлений.

Анализ распределения полностью и частично содержащихся событий, отобранных из потока мюонных нейтрино, позволяет дифференцировать сигнальные события от фоновых и определить природу родительских нейтрино.

Поиск За Пределами Стандартной Модели: Модель 3+1 и Далее

Эксперимент NOvA разработан для поиска свидетельств существования стерильных нейтрино в рамках так называемой модели 3+1, которая является расширением Стандартной модели физики элементарных частиц. Данная модель предполагает наличие одного дополнительного, стерильного нейтрино, не взаимодействующего с известными фундаментальными силами, кроме гравитационного. Поиск этих гипотетических частиц позволяет проверить предсказания, выходящие за рамки существующей теории, и может пролить свет на природу нейтринной массы и возможные аномалии, наблюдаемые в нейтринных осцилляциях. Исследование стерильных нейтрино в NOvA предполагает анализ исчезновения мюонных нейтрино, что позволяет установить ограничения на параметры смешивания между активными и стерильными нейтрино и, возможно, обнаружить признаки их существования.

Анализ данных, полученных в ходе эксперимента, позволяет установить ограничения на разницу масс между активными и стерильными нейтрино, что вносит существенный вклад в углубленное понимание явления смешивания нейтрино. Различия в массах напрямую влияют на вероятности осцилляций нейтрино, и, следовательно, на наблюдаемые потоки. Точное определение этой разницы масс — критически важный шаг в проверке существующих теоретических моделей и поиске отклонений от Стандартной модели физики элементарных частиц. Посредством тщательного анализа распределений энергии и времени появления нейтрино, ученые могут извлекать информацию о параметрах смешивания, включая $Δm^2$ — квадрат разности масс, являющийся ключевым параметром в описании нейтринных осцилляций. Эти ограничения не только уточняют существующие знания о нейтринном секторе, но и служат ориентиром для будущих экспериментов, направленных на раскрытие фундаментальных свойств этих неуловимых частиц.

Недавний поиск стерильных нейтрино, проведенный экспериментом NOvA, продемонстрировал мировое лидерство в чувствительности в ряде областей параметров. Предварительные исследования указывают на возможность повышения этой чувствительности примерно на 30% при включении данных, полученных с помощью Пульсирующего пучка нейтрино Бустера. Более того, статистическая мощность при $log_{10}(Δm^2) < 0.5 \text{ eV}^2$ сопоставима с мощностью, обеспечиваемой установкой NuMI. Данные результаты подчеркивают значительный вклад эксперимента NOvA в расширение границ наших знаний о смешивании нейтрино и потенциальном существовании стерильных нейтрино, выходящих за рамки Стандартной модели.

Нейтринный пучок в NOvA ND состоит преимущественно из мюонных нейтрино, с меньшей долей электронных нейтрино и антинейтрино, и характеризуется двумя максимумами энергии, обусловленными распадами π и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">K</span>. — Нейтринный пучок в NOvA ND состоит преимущественно из мюонных нейтрино, с меньшей долей электронных нейтрино и антинейтрино, и характеризуется двумя максимумами энергии, обусловленными распадами π и $K$ .

Исследование, представленное в данной работе, демонстрирует, как попытки обнаружить стерильные нейтрино в эксперименте NOvA сталкиваются с фундаментальными трудностями, связанными с необходимостью точного моделирования потоков нейтрино. Учёные стремятся выявить отклонения от стандартной модели, но сталкиваются с когнитивными искажениями, присущими любой попытке интерпретации данных. Как метко заметил Карл Поппер: «Всякий, кто стремится к истине, должен подвергать сомнению свои собственные предположения». Именно этот принцип лежит в основе анализа данных NOvA и Booster Neutrino Beam, где постоянное уточнение моделей потоков и поиск отклонений от предсказаний являются ключевыми элементами поиска стерильных нейтрино и проверки границ современной физики.

Что дальше?

Поиск стерильных нейтрино, как и любое стремление заглянуть за завесу известного, неизбежно наталкивается на несовершенство инструментов. Эксперимент NOvA, тщательно сопоставляя данные и совершенствуя методы, лишь обнажает глубину нашего незнания. Ошибки в расчетах потока, неопределённости в моделях адронного производства — это не помехи, а указатели. Они говорят о том, что упрощённые представления о Вселенной неизбежно искажают реальность, и каждое отклонение от предсказаний — это окно в человеческую природу, в её склонность к упорядочиванию хаоса.

Перспектива объединения данных с пучком Booster Neutrino Beam представляется не просто техническим улучшением чувствительности, но и признанием того, что истина редко лежит на поверхности. Чем сложнее система, тем больше необходимо точек зрения, чтобы хотя бы приблизиться к её пониманию. Однако, даже при увеличении точности измерений, следует помнить: поиск стерильных нейтрино — это не просто поиск новой частицы, это попытка понять, насколько далеко наши базовые предположения о природе реальности могут быть ошибочными.

В конечном счёте, исследование нейтрино, как и любое фундаментальное научное начинание, есть не столько решение загадок, сколько осознание границ познания. Не исключено, что стерильные нейтрино окажутся лишь очередным слоем сложности, за которым скрываются ещё более глубокие и непостижимые тайны. И это, возможно, и есть самое интересное.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.11345.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-14 19:28