Îndoiala aruncată asupra particulelor teoretice „sterile” lasă un mister de neutrini nerezolvat

De zeci de ani, fizicienii au suspectat un intrus. O particulă subatomică ipotetică retrasă s-ar putea strecura în studiile despre neutrini, particule aproape fără masă, fără sarcină electrică. Un nou studiu pune la îndoială această idee, dar lasă nerezolvat misterul a ceea ce a cauzat rezultate deosebite în anumite experimente cu neutrini.

„Încă nu avem răspunsul”, spune fizicianul Kate Scholberg de la Universitatea Duke, care nu a fost implicată în noul rezultat. „Este simultan satisfăcător și nesatisfăcător.”

Neutrinii, care vin în trei soiuri cunoscute, au apărut într-un număr mai mare decât era de așteptat în unele experimente. Acest comportament ciudat a ridicat perspectiva tentantă că un al patrulea tip de neutrin mai ascuns, numit neutrin steril, ar putea aștepta descoperirea. Dar noi date de la Micro Booster Neutrino Experiment, sau MicroBooNE, favorizează trio-ul canonic de neutrini.

Un experiment anterior numit MiniBooNE, situat la Fermilab din Batavia, Illinois, a descoperit de ani de zile mai mulți neutrini decât se aștepta la energii scăzute, indiciu consolidat cu mai multe date în 2018 (SN: 6/1/18). Un experiment cu neutrini chiar mai devreme, realizat în anii 1990, a văzut, de asemenea, un semnal similar.

Cu MiniBooNE, oamenii de știință au studiat un fenomen numit oscilație a neutrinilor. Cele trei soiuri cunoscute de neutrini – neutrini electronici, neutrini muoni și neutrini tau – se pot transforma sau oscila de la un tip la altul pe măsură ce călătoresc. MiniBooNE a căutat neutrini electronici produși atunci când neutrinii muoni au oscilat. Excesul aparent de neutrini electronici observat de MiniBooNE ar putea indica faptul că schimbarea părea să se întâmple mai des decât se aștepta, posibil din cauza neutrinilor sterili care încurcă oscilațiile.

Dar a fost o captură. Detectoarele de particule nu pot identifica direct neutrinii, ci îi identifică prin observarea altor particule scuipate atunci când neutrinii interacționează în interiorul unui detector. Și MiniBooNE avea tendința de a confunda electronii – o semnătură a neutrinilor electronici – cu fotonii, particule de lumină care ar putea indica o altă particulă. Asta i-a lăsat pe oamenii de știință nesiguri dacă evenimentele în exces erau într-adevăr neutrini electronici. Neutrinul steril a rămas un semn de întrebare.

Introduceți MicroBooNE. Tot la Fermilab, experimentul folosește un tip avansat de detector care poate distinge electronii de fotoni. Așa că oamenii de știință și-au propus să investigheze evenimentele în exces, cu scopul de a afla dacă au implicat electroni sau fotoni. Dar MicroBooNE, în mod confuz, nu a găsit deloc exces. Într-un seminar de 1 octombrie și într-o lucrare postată pe arXiv.org, MicroBooNE a eliminat în mare parte posibilitatea unor evenimente suplimentare care implică fotoni. Noul rezultat, raportat pe 27 octombrie în timpul unui seminar virtual, exclude multe dintre posibilele tipuri de evenimente suplimentare care implică electroni, făcând ideea neutrinului steril mai puțin plauzibilă.

Nu este clar de ce un experiment a văzut un exces în timp ce celălalt nu. Diferența dintre cele două măsurători s-ar putea reduce la diferitele materiale utilizate în detectoare, spune Scholberg – carbon în cazul MiniBooNE, argon pentru MicroBooNE.

Alte posibile explicații pentru evenimentele în exces pe care MiniBooNE le-a găsit rămân de investigat, dintre care unele ar putea depăși fizica standard. Detectările, de exemplu, ar putea implica electroni împerecheați cu partenerii lor de antimaterie, pozitronii. Acea pereche ar putea arăta cu degetul la diferite chestii subatomice ipotetice, în special, ceea ce se numește o particulă asemănătoare axionilor.

Cercetătorii „au eliminat o mulțime de posibilități despre ceea ce ar putea fi acest exces, așa că am găsit rezultatele destul de convingătoare”, spune fizicianul Mayly Sanchez de la Iowa State University din Ames, care nu a fost implicat în studiu. „Le oferiți din ce în ce mai puține locuri de ascunde acestor neutrini sterili.”

Dar orice speranță pentru neutrini sterili nu este pierdută: un scenariu mai complicat care implică un neutrin steril combinat cu alte fenomene noi teoretizate ar putea explica în continuare evenimentele în exces.

„Există încă un mister”, spune fizicianul Bonnie Fleming de la Universitatea Yale, un purtător de cuvânt al experimentului MicroBooNE. „Avem mai mult de lucru. Nu există nicio îndoială în privința asta.”