Trwający trzy lata eksperyment nie odkrył śladów neutrina sterylnego – hipotetycznej cząstki, która mogłaby uratować Model Standardowy. To paradoksalnie dobry wynik – wskazuje bowiem, że trzeba szukać nowych praw fizyki. Ale zacznijmy od początku.

Eksperymenty fizyczne już w początkach ubiegłego wieku wykazały, że po rozpadzie jąder atomowych ubywa energii. Coś musiało ją unosić, bowiem zasada zachowania energii jest w fizyce podstawowa. Energia nie może znikać bez śladu.

W początkach lat 30. Enrico Fermi przesłał swoją pracę, opisującą teorię rozpadu jąder atomowych uwzględniającą nieznaną cząstkę, do czasopisma naukowego „Nature”. Pracę odrzucono, ponieważ zawierała „spekulacje zbyt odległe od rzeczywistości, aby zainteresować czytelnika”.

Na nieuchwytne neutrino polowano ćwierć wieku

Fermi nazwał cząstkę „neutrino”, bo miała nie posiadać ładunku elektrycznego (jak neutron) i być bardzo lekka (stąd zdrobnienie). Te jej cechy oznaczały też, że neutrino powinno niezwykle słabo oddziaływać z materią. Sam Fermi wątpił, czy kiedykolwiek uda się hipotetyczne neutrino wykryć.

Istnienie tajemniczych cząstek udało się potwierdzić dopiero w 1956 roku. Tak odkryto antyneutrina, co potwierdziło istnienie neutrin (w modelu standardowym wszystkie cząstki mają bowiem odpowiadające im antycząstki).

Neutrina w dużych ilościach powstają we wnętrzu Słońca. W połowie lat 60. postanowiono zmierzyć ich ilość. Okazało się, że jest ich trzykrotnie mniej niż przewidują fizyczne równania. Nazwano to „paradoksem neutrin słonecznych”.

Ten paradoks tłumaczyła pewna hipoteza. Neutrina mogą występować w trzech różnych rodzajach. Eksperyment wykrywający słoneczne neutrina był skonstruowany tak, że mógł wykryć tylko neutrina jednego typu – elektronowe.

Trzy rodzaje neutrin, hipotetyczny czwarty i zagadkowy nadmiar elektronów

Poza nimi istnieją także neutrina dwóch innych typów – mionowe i taonowe. Trzy rodzaje neutrin bezustannie w locie zmieniają się jedne w drugie, co nazywa się oscylacją. Pozostałe dwa rodzaje umykały eksperymentatorom. Ich istnienie potwierdzono dopiero w początkach lat dwutysięcznych – za to odkrycie przyznano nagrodę Nobla z fizyki w 2015 roku. To wyjaśniło pozorny niedobór słonecznych neutrin.

Fizycy na całym świecie prowadzą dziesiątki eksperymentów, które maja zmierzyć oscylację neutrin, czyli tempo, w jakim się zmieniają jedne w drugie. Niektóre z takich badań już od lat 90. ubiegłego wieku wskazywały, że w detektorach pojawia się niewyjaśniony nadmiar elektronów. Zakładano, że może mieć on związek z jeszcze jedną odmianą neutrin.

MicroBooNE to eksperyment, który wykrywał neutrina z nadzieją, że może się udać natrafić na ślady neutrina sterylnego. Ten hipotetyczny, czwarty rodzaj neutrin, to zarazem dobry kandydat na wypełniającą cały Wszechświat tajemniczą ciemną materię. Specjalne detektory miały wykrywać ślady zderzeń neutrin z cząsteczkami 170 ton ciekłego gazu szlachetnego – argonu.

MicroBooNE potwierdza zagadkowy nadmiar elektronów

Niedawno ogłoszono wyniki MicroBooNE. Nie znaleziono w nich śladów istnienia hipotetycznego neutrina sterylnego. Potwierdzono za to, że wykrył nadmiar elektronów, podobnie jak poprzedni i mniej dokładny eksperyment MiniBoone oraz jeszcze wcześniejszy – Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND). Dokładne czujniki wykazały, że elektrony nie pochodzą z odbijania się neutronów od jąder argonu.

– Dotychczasowe wyniki wskazują na to, że nadmiar elektronów jest skutkiem praw fizyki nieprzewidzianych przez model standardowy. Jakie to są prawa, pokaże przyszłość – mówi Wiliam Louis, fizyk z Los Alamos National Laboratory i członek zespołu MicroBooNE.

Opublikowane wyniki to analiza dopiero połowy danych – z trzech lat przebiegu eksperymentu, który trwał sześć lat. Nadal pozostaje nadzieja, choć już znacznie słabsza, że w pozostałych danych ukrywa się ślad neutrin sterylnych.

Co oznacza nadmiar elektronów w detektorach neutrin? Ciemny sektor, czyli całe zoo nowych cząstek

Nadmiar elektronów może natomiast wskazywać na dwie hipotezy. Albo neutrina sterylne są nietrwałe i się rozpadają, albo ślady pochodzą z rozpadu jeszcze innych hipotetycznych cząstek – aksjonów. Oba te wyjaśnienia odwołują się jednak do teorii wykraczających poza Model Standardowy.

Możliwe jest jeszcze trzecie wyjaśnienie. Neutrina to tylko czubek góry lodowej. Nie ma jednej tajemniczej cząstki ciemnej materii. Jest ich cały, jak określają to fizycy „ciemny sektor” (czasami nazywają go też „ukrytym”). Byłaby to cała rodzina nieznanych jeszcze cząstek, które, podobnie jak neutrino, nie mają ładunku elektrycznego, więc są trudne do wykrycia.

Byłoby to prawdziwe zoo, jak czasem żartują fizycy. Cząstki te, podobnie jak neutrina, niezwykle rzadko oddziaływałyby z widzialną materią – o ile w ogóle. Być może jest ich tak wiele, jak cząstek tworzących zwykłą materię. Możliwe też, że oddziałują na siebie dzięki nieznanym jeszcze siłom.

Ich odkrycie tłumaczyłoby wiele różnych anomalii w fizycznych eksperymentach, istnienie ciemnej  materii, a nawet to, dlaczego Wszechświat nie jest zupełnie jednolity, a istnieją w nim gwiazdy i galaktyki – a jego rozszerzanie się stale przyspiesza. Tego wszystkiego bowiem model standardowy nie tłumaczy.
Jeśli istnieje cały „ciemny sektor”, powinny to wykazać dokładniejsze analizy danych z MicroBooNE. Naukowcy opublikują je w przyszłym roku.

Będzie więcej danych z nowych detektorów neutrin

Ale MicroBooNE to tylko jeden z wielu eksperymentów badających neutrina. Pracę niedawno rozpoczął detektor ICARUS, a w 2023 r. dane zbierać zacznie także inny detektor, Short-Baseline Near Detector (SBND). Z tym ostatnim fizycy wiążą szczególne nadzieje – jeden miesiąc jego pracy przyniesie tyle danych, ile dwa lata MicroBooNE.

Planowany jest też Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), który wysyłać będzie neutrina przelatujące 800 km pod ziemią do laboratorium Sanford Underground Research Facility. Pewne jest, że danych do analizy fizykom nie zabraknie.

– Wyniki wskazują na nowy kierunek i że powinniśmy poszukiwać niesztampowych rozwiązań. MicroBoone to był początek ekscytującej podróży w odkrywaniu praw fizyki – mówi Sowjanya Gollapinni, fizyk i współautor opublikowanej pracy.

Być może też – jak w przypadku neutronu – najpierw powstanie teoria, która anomalie tłumaczy. Nie znalazła jeszcze poklasku jako „spekulacje zbyt odległe od rzeczywistości”, ale jest szansa, że potwierdzą ją dane z przyszłych eksperymentów.


Źródło: Los Alamos National Laboratory.