В этом году на конкурсе научных работ НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ была присуждена премия «Лучшая работа». Конкурс нашего института имеет очень строгие правила и звание «Лучшая работа» присуждается в исключительных случаях. В частности, последний раз это звание присуждалось почти 10 лет назад. Как правило, этого звания удостаиваются работы, добившиеся значительного результата в важнейшем научном направлении международного уровня.
Сейчас это работа «Поиск стерильного нейтрино в эксперименте Нейтрино-4 и результаты измерений»-Physical Reviw D 104, 032003, 17 August 2021 авторского коллектива в составе А.П. Сереброва, В.Г. Ивочкина, Р.М. Самойлова, А.К. Фомина, В.Г. Зиновьева, П.В. Неустроева, В.Л. Головцова, С.С. Волкова, А.В. Чёрного, О.М. Жеребцова, М.Е. Чайковского, А.Л. Петелина, А.Л. Ижутова, А.А. Тузова, С.А. Сазонтова, М.О. Громова, В.В. Афанасьева, М.Е. Зайцева, А.А. Герасимова, В.В. Федорова.
Руководитель работы, заведующий Отделом нейтронной физики Института, член-корреспондент РАН А.П. Серебров рассказал о том, как его группа заинтересовалась нейтринными исследованиями, этапах подготовки эксперимента, полученных результатах и дальнейших планах.
«Меня всегда привлекала нейтринная физика, - поделился Анатолий Павлович, - это наиболее интересная область физики элементарных частиц, где ещё не решены многие принципиальные вопросы. Экспериментальная нейтринная физика тоже особенная, так как связана с регистрацией «неуловимых нейтрино». Источниками нейтрино являются космические лучи, производящие атмосферные нейтрино, нейтрино от Солнца, нейтринные пучки, получаемые на ускорителях в распаде мезонов, и наконец, антинейтрино от атомных станций. К сожалению, потоки антинейтрино на исследовательских реакторах считались статистически недостаточными для проведения нейтринных исследований».
Однако в 2011 году ситуация начала меняться - появилась публикация о возможных указаниях на нейтринные осцилляции на малых расстояниях, именно на исследовательских реакторах, причём речь шла о переходе реакторных антинейтрино в совершенно новое, стерильное, нейтрино - нейтрино за пределами Стандартной Модели. Предполагалось, что разность квадратов масс между стерильным нейтрино и известными нейтрино должна составлять приблизительно 1 электронвольт в квадрате. На решение этой задачи нацелилось по всему миру как минимум 7 экспериментальных групп. Исключительная значимость предполагаемых результатов вселяла ещё больше энтузиазма взяться за совершенно новую, но очень важную задачу.
Лабораторией А.П. Сереброва была поставлена цель реализовать эксперимент на реакторе СМ-3 (НИИАР, Димитровград), где имеются наиболее подходящие условия для решения возникшей задачи в области нейтринной физики. Для освоения новой, совершенно незнакомой для Анатолия Павловича и его коллектива, экспериментальной методики первый этап проекта был реализован на реакторе ВВР-М (НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ, Гатчина).
На реакторе СМ-3 предстояло создать совместную с НИИАР нейтринную лабораторию. Уже к 2013 году была поставлена многотонная пассивная защита для создания низкофоновых условий, активная защита для исключения фона от космических лучей, а также модель нейтринного детектора, и нейтринная лаборатория заработала.
Проект эксперимента, его схема и методика были разработаны в лаборатории Анатолия Павловича. Всё необходимое оборудование изготовили в НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. В разработке и изготовлении пассивной защиты большая роль принадлежит Цеху экспериментального оборудования Института. Электроника для многосекционного нейтринного детектора была разработана в Отделении физики высоких энергий. Здесь очень пригодилась методика, созданная в ОФВЭ для многоканальных детекторов в ЦЕРНе.
Испытания на модели нейтринного детектора из 16 секций позволили перейти к разработке полномасштабного детектора нейтрино, состоящего из 50 секций. Важнейшей особенностью экспериментальной схемы является передвижной детектор и возможность детального измерения потока антинейтрино от реактора – в 24 точках, через каждые 22 см в диапазоне от 6 до 12 метров, а также измерение энергетического спектра с шагом 500 кэВ. Это позволило построить матрицу нейтринных событий из 216 (24х9) элементов.
Далее был произведен длительный набор статистики, в ходе которого ученым всё больше и больше становилось ясно, что область разности квадратов масс порядка 1 электронвольта в квадрате закрывается. По словам Анатолия Павловича, это был наиболее драматический этап исследований. Однако, когда ученые начали готовить публикацию о закрытии аномалии стерильного нейтрино в область разности квадратов масс порядка 1 электронвольта в квадрате, тщательный анализ данных показал, что существует другая область параметров стерильного нейтрино с разностью квадратов масс 7 электронвольта в квадрате, которая проявляется на уровне достоверности 3.5 стандартных отклонений, т.е. значительно большей, чем предполагалось.
Работа под названием «Первое наблюдение эффекта осцилляций в эксперименте Нейтрино-4 по поиску стерильного нейтрино» была опубликована в отечественном журнале «Письма в ЖЭТФ» (2019, том 109, вып. 4, с. 209–218). Позднее вышла вторая работа «Анализ результатов эксперимента Нейтрино-4 по поиску стерильного нейтрино и сравнение с результатами других экспериментов» («Письма в ЖЭТФ», том 112, вып. 4, с. 211 – 225, 2020 г.)
«Нельзя сказать, что публикации были встречены мировой научной общественностью с большим восторгом, – признается Анатолий Павлович. - Наука консервативна, и новые, особенно принципиально важные, вещи воспринимаются скептически. Как известно, требуется уровень достоверности 5 стандартных отклонений, чтобы сделать полностью надёжное заявление. Здесь публиковалось только указание на наличие эффекта осцилляций в эксперименте. Уровень трёх стандартных отклонений - это справедливая причина для скепсиса».
Имело место и некоторое недоверие, что коллектив, ранее не работавший в области нейтринной физики, начиная с чистого листа, добился значимого результата в конкуренции с другими известными группами. Сказывалось и то, что в других экспериментах из-за недостаточной чувствительности эффект осцилляций пока не наблюдается, и они дают лишь ограничения на параметры осцилляций.
Ситуация стала меняться после публикации с подробным описанием всех деталей эксперимента в журнале «Physical Reviw D» (104, 032003, 17 August 2021). Немалую роль сыграл доклад нобелевского лауреата Карло Рубиа на нейтринной конференции в Италии, который был начат с представления результатов эксперимента Нейтрино-4 и завершен представлением целой программы экспериментальных исследований в Лаборатории Ферми в США, чтобы проверить результаты эксперимента Нейтрино-4.
В июне на заседании Ученого совета обсуждалось, что планируется противопоставить этой американской программе. Дело в том, что после 3-х лет набора статистики дальнейшее увеличение уровня достоверности происходит очень медленно и простое продолжение эксперимента не эффективно. Поэтому было принято решение осуществить значительную модернизацию установки и строить вторую нейтринную лабораторию на реакторе СМ-3.
Сейчас старая установка полностью модернизирована и готовится к транспортировке на реактор СМ-3, где реконструировано помещение для второй нейтринной лаборатории. В институте завершается создание новой установки с чувствительностью в 3 раза превосходящей прежний уровень (Рис 6-9). Для получения нового результата эксперимента Нейтрино-4 потребуется 2-3 года. Но приблизительно год назад произошло косвенное подтверждение результата эксперимента Нейтрино-4.
Был заявлен результат эксперимента BEST (Baksan Experimenton Sterile Transitions), проведённого в Баксанской нейтринной обсерватории. Эксперимент был выполнен с использованием искусственного нейтринного источника 51 Cr. и подтвердил эффект так называемой галлиевой аномалии, а также значение амплитуды осцилляций в эксперименте Нейтрино-4..
Эксперимент Нейтрино-4 имеет важнейшее преимущество, т.к. в нём определяются сразу оба параметра осцилляций: разность квадратов масс и угол смешивания. В эксперименте Нейтрино-4 демонстрируется непосредственно картина процесса осцилляций. В эксперименте BEST наблюдается только дефицит потока нейтрино от источника, который может быть пересчитан в амплитуду эффекта осцилляций в стерильное нейтрино. Используя результаты обоих экспериментов, можно представить параметры стерильного нейтрино на уровне достоверности пяти стандартных отклонений.
Группой А.П. Сереброва были продемонстрированы важнейшие следствия в теорию расширенной нейтринной модели 3+1: матрица смешивания нейтрино с учётом стерильных нейтрино и оценка на эффективную массу электронного нейтрино за счет смешивания со стерильным нейтрино. В целом следует заключить, что результат эксперимента Нейтрино-4 претендует на открытие новой элементарной частицы за пределами Стандартной Модели. Увеличение точности эксперимента на реакторе СМ-3 -важнейшая ближайшая задача НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ. Эксперимент будет продолжен на реакторе ПИК.