Eksperyment MicroBooNE przeprowadzony w Fermi National Accelerator Laboratory wykluczył istnienie czwartego typu neutrina z 95-procentową pewnością. Wyniki opublikowane w periodyku naukowym Physical Review Letters to efekt sześciu lat zbierania danych, od 2015 do 2021 roku. Dla społeczności fizyków oznacza to konieczność szukania zupełnie nowych wyjaśnień dla obserwowanych anomalii.
Unikalna metoda dwóch wiązek
MicroBooNE to pierwszy eksperyment, który wykorzystał jeden detektor do obserwacji neutrin z dwóch różnych źródeł jednocześnie – Booster Neutrino Beam i NuMI. To innowacyjne podejście znacząco zmniejszyło niepewności pomiarowe i pozwoliło naukowcom przeszukać niemal cały obszar, w którym teoretycznie mogłoby się ukrywać pojedyncze neutrino sterylne.
Problemy zaczęły się od eksperymentów LSND i MiniBooNE, które zaobserwowały coś dziwnego. Neutrina mionowe zmieniały się w elektronowe na znacznie krótszych dystansach, niż przewidywał Model Standardowy. Znamy trzy typy neutrin – mionowe, elektronowe i taonowe – które potrafią transformować się między sobą podczas podróży przez przestrzeń. Obserwacje jednak nijak nie pasowały do teorii.
Czytaj także: Anomalia doprowadziła do wykrycia nowej cząstki. Wielkie doniesienia ze świata fizyki
Neutrino sterylne miało być eleganckim rozwiązaniem tej zagadki. W przeciwieństwie do trzech znanych typów, nie oddziałowałoby w ogóle z materią – stąd nazwa “sterylne”. Przez 30 lat było to najpopularniejsze wyjaśnienie anomalii.
Zagadka pozostaje nierozwiązana
Wykluczenie jednej hipotezy nie oznacza końca problemów. Anomalie w zachowaniu neutrin nadal istnieją, a Model Standardowy wciąż nie potrafi ich wytłumaczyć. Zespół MicroBooNE kontynuuje analizę pozostałych danych, a inne eksperymenty z programu neutrin krótkodystansowych również pracują nad rozwiązaniem tej zagadki.
Wykluczenie neutrina sterylnego zmusza fizyków do kreatywności. Muszą teraz wymyślić zupełnie nowe sposoby poszukiwania fizyki poza Modelem Standardowym. W nauce wyniki negatywne są równie ważne jak pozytywne – wskazują kierunki, w których nie ma sensu dalej szukać, i inspirują do eksplorowania nowych obszarów.
Czytaj także: Naukowcy szukali neutrina sterylnego. Zamiast niego znaleźli ślady nieznanych praw fizyki
Istotną rolę w tym odkryciu odegrali naukowcy z Uniwersytetu w Manchesterze. Dr Elena Gramellini kierowała programem wykorzystującym wiązkę NuMI, która była fundamentem dla uzyskanych wyników. Profesor Roxanne Guenette współtworzyła program oscylacji krótkodystansowych MicroBooNE, kształtując strategię badania kwestii neutrina sterylnego.
Co dalej?
MicroBooNE dostarcza nie tylko odpowiedzi na konkretne pytania, ale też rozwija techniki pomiarowe dla przyszłych eksperymentów. Szczególnie cenne są dane o tym, jak neutrina oddziałują w ciekłym argonie. Te informacje będą kluczowe dla Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), jednego z najbardziej ambitnych projektów w fizyce cząstek.
Sposób, w jaki MicroBooNE zbierał i analizował dane, stanie się wzorem dla kolejnych eksperymentów. Wykorzystanie dwóch wiązek neutrin jednocześnie okazało się na tyle skuteczne, że prawdopodobnie zostanie przyjęte jako standard w przyszłych badaniach nad tymi nieuchwytymi cząstkami.
Fizycy neutrin stoją teraz przed wyzwaniem wymyślenia nowych, jeszcze bardziej kreatywnych sposobów poszukiwania odpowiedzi. Wykluczenie najpopularniejszej hipotezy to nie porażka, ale krok naprzód – teraz wiedzą, gdzie nie szukać, i mogą skupić się na innych możliwościach. Anomalie w zachowaniu neutrin pozostają jedną z największych zagadek współczesnej fizyki, a ich rozwiązanie może prowadzić do odkrycia zupełnie nowej fizyki poza Modelem Standardowym.