Fizycy pracujący nad eksperymentem MicroBooNE ostatecznie wykluczyli istnienie czwartego typu neutrina – hipotetycznego „sterylnego” neutrina – z 95% pewnością. Odkrycie zamyka ważny rozdział w fizyce cząstek elementarnych, eliminując jedno z wiodących wyjaśnień anomalii obserwowanych w poprzednich eksperymentach z neutrinami.
Co to jest neutrino i dlaczego jest ważne?
Neutrina to podstawowe cząstki subatomowe znane ze swojej nieuchwytności. W przeciwieństwie do większości materii oddziałują ze sobą tak słabo, że mogą przejść przez całe planety bez zderzenia z pojedynczym atomem. Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych, zdecydowanie najlepszy opis elementów składowych Wszechświata, przewiduje tylko trzy typy neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Wiadomo, że cząstki te oscylują — zmieniają typ na inny — ale niektóre wcześniejsze eksperymenty wykazały zachowanie, które nie do końca pasowało do tego modelu.
Hipoteza sterylnych neutrin
Aby wyjaśnić te rozbieżności, fizycy zaproponowali istnienie czwartego „sterylnego” neutrina. W przeciwieństwie do innych, nie oddziałuje z materią w żaden sposób inaczej niż poprzez grawitację, co czyni ją niezwykle trudną do wykrycia. Pomysł zyskał poparcie, ponieważ mógłby potencjalnie rozwiązać niewyjaśnione fluktuacje zaobserwowane we wcześniejszych eksperymentach.
Dziesięć lat poszukiwań MicroBooNE
Współpraca MicroBooNE trwała dziesięć lat, zbierając i analizując dane z dwóch różnych wiązek neutrin. Dokładnie zmierzyli oscylacje neutrin, szukając jakichkolwiek śladów nieuchwytnej sterylnej cząstki. Wynik? Brak dowodów. Wyniki zespołu opublikowane w czasopiśmie Nature skutecznie wykluczają to popularne wyjaśnienie anomalnego zachowania neutrin.
„Ten wynik jest punktem zwrotnym” – powiedział dr Andrew Mastbaum z Rutgers University, główny badacz projektu. „Możemy wykluczyć jednego z głównych podejrzanych, ale to nie do końca rozwiązuje zagadkę”.
Co to oznacza dla fizyki?
Wyłączenie sterylnego neutrina nie oznacza, że Model Standardowy jest doskonały. Nadal nie potrafi wyjaśnić zjawisk takich jak ciemna materia, ciemna energia i grawitacja. Jednak wynik MicroBooNE zawęża poszukiwania fizyki poza Model Standardowy. Wykluczywszy jedną możliwość, naukowcy mogą teraz skupić się na innych potencjalnych wyjaśnieniach.
Dostarcza także cennych informacji dla przyszłych eksperymentów, w tym nadchodzącego Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Metody opracowane w ramach projektu MicroBooNE będą miały kluczowe znaczenie w odpowiedzi na bardziej podstawowe pytania dotyczące składu i zachowania Wszechświata.
Zasadniczo poszukiwania fizyki wykraczające poza Model Standardowy są kontynuowane, teraz z jednym ślepym zaułkiem mniej. Wszechświat pozostaje pełen tajemnic, ale to odkrycie jest znaczącym krokiem w kierunku ich rozwiązania.
Współpraca MicroBooNE. 2025. Poszukiwanie lekkich sterylnych neutrin za pomocą dwóch wiązek neutrin w MicroBooNE. Natura 648, 64-69; doi: 10.1038/s41586-025-09757-7
