Нейтрино осциллируют медленнее, чем антинейтрино?
Согласно данным, полученным в ходе эксперимента MINOS в Фермилаб, США, осцилляции нейтрино происходят заметно медленнее, чем осцилляции антинейтрино. Это указывает на то, что, возможно, в этом процессе сильно нарушена фундаментальная CPT-симметрия, лежащая в основе большинства современных теорий элементарных частиц. Об этом сообщается в свежей статье, опубликованной в Physical Review Letters.
CPT-симметрия считается фундаментальной симметрией нашего мира и выполняется для всех современных теорий, объясняющих электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. При этом наличие CPT-симметрии должно приводить к тому, что так называемые нейтринные осцилляции для нейтрино и антинейтрино должны происходить с одной той же скоростью. Именно это утверждение и стало предметом проверки в эксперименте MINOS, проводимом в США в лаборатории имени Энрико Ферми.
Нейтринными осцилляциями называют спонтанное превращение одного типа нейтрино (например, мюонного нейтрино) в другой (например в тау-нейтрино). Это явление, выходящее за рамки Стандартной модели, было предсказано в связи с так называемой «проблемой солнечных нейтрино»: при регистрации потока нейтрино, идущего от Солнца, выяснилось, что их количество не согласуется с другими данными о Солнце и идущих в нём ядерных реакциях (являющихся источником нейтрино). Позднее факт нейтринных осцилляций был подтверждён экспериментально в земных условиях. Однако до сих пор нейтрино и антинейтрино изучались в одном потоке.
Чтобы разделить нейтрино и антинейтрино, сотрудники Фермилаба использовали уникальную технологию. Во-первых, у них имелось два детектора нейтрино: ближний, находящийся на расстоянии 1 км от источника, и дальний, находящийся на расстоянии 735 км (в Суданской шахте). Источником мюонных нейтрино служил графит, облучаемый пучком протонов с энергиями 120 ГэВ. При прохождении через детекторы часть нейтрино взаимодействовали с его веществом, рождая заряженные мюоны и антимюоны. При этом каждый нейтрино порождал отрицательно заряженный мюон, а каждый антинейтрино — положительно заряженный антимюон. Поскольку заряды рождаемых частиц отличались знаком, их можно было разделить магнитным полем. Для этого использовался мощный магнит, создававший поле в 1,4 Тл. По разнице показаний ближнего и дальнего детекторов устанавливалась скорость осцилляций для каждого типа нейтрино.
Основной проблемой являлось то, что поток антинейтрино был значительно слабее потока нейтрино, однако экспериментаторам удалось получить значение параметров осцилляций с точностью около 12 %. После сравнения данных для нейтрино и антинейтрино оказалось, что параметры осцилляций для них отличаются почти в полтора раза, а вероятность их идентичности не превышает 2 %.
Объяснения полученных результатов пока нет. Наиболее простым является статистическая флуктуация. Эта возможность будет проверена дальнейшими экспериментами. Кроме того, возможно, что проблема в ядерных эффектах: поскольку для вычислений параметров нужно знать энергии нейтрино, которые определяются величиной ядерной энергии их источников, то ошибка в вычислении этой энергии может сказаться на конечном результате.
Если же дело всё-таки не во флуктуациях и не в ядерных эффектах, то это означает, что объяснение эффекта потребует создания принципиально новой физики. Возможные пути построения новой теории включают в себя: введение новых типов взаимодействия, отказ от симметрии относительно преобразований Лоренца или CPT-симметрии.
Источник: William C. Louis, Viewpoint: The antineutrino vanishes differently // Physics 4, 54 (2011)
