Куда исчезали нейтрино? Физики нашли простое объяснение аномалии

Эксперименты с галлием десятилетиями показывали странный результат: ядра этого элемента захватывают примерно на 20% меньше электронных нейтрино, чем предсказывает теория. Физики спорили, не указывает ли это на существование новых частиц, однако новое исследование итальянских учёных предлагает более простое объяснение — без обращения к неизвестной физике. Расчёт, опубликованный в журнале Physical Review Letters, не только воспроизводит загадочный дефицит, но и указывает на ошибку в старом подходе к вычислениям.

Что не так с галлием и нейтрино

Взаимодействие электронного нейтрино с ядром изотопа галлий-71 выглядит элегантно. Нейтрино сталкивается с нейтроном, рождается электрон, а ядро превращается в германий-71. Это классический пример слабого взаимодействия с обменом W-частицей — процесс, который сыграл ключевую роль в разгадке так называемой проблемы солнечных нейтрино.

Уравнение реакции хорошо известно. Казалось бы, измерить скорость захвата частиц несложно. Но эксперименты с 1990-х годов упорно фиксировали нехватку электронных нейтрино. В 2007 году физик Карло Джунти из Италии впервые чётко сформулировал загадку, которую назвали галлиевой аномалией. В 2022 году международная коллаборация Baksan Experiment on Sterile Transitions подтвердила эффект: наблюдения по-прежнему не совпадали с предсказаниями.

Многие теоретики посчитали это доказательством существования стерильных нейтрино — гипотетических частиц, которые участвуют только в гравитационном взаимодействии и потому остаются невидимыми для детекторов. Но такое объяснение порождало новые противоречия с данными других экспериментов, от реакторных антинейтрино до измерений массы нейтрино.

От стерильных частиц к ошибке в расчётах

Ведущий автор новой работы Маттео Каддеду из Национального института ядерной физики (INFN) признался: галлиевая аномалия стала для него почти навязчивой идеей ещё со времён магистерской диссертации под руководством Джунти. Он никогда не верил, что стерильные нейтрино — единственное возможное объяснение. Противоречия с другими экспериментами были слишком серьёзными.

Три года назад Каддеду решил начать сначала — буквально с нуля. Он пересмотрел теоретическое предсказание, ядерную и атомную физику, процедуру экспериментов и возможные систематические эффекты. К проекту присоединились его бывшие и нынешние студенты, многие из которых теперь работают над этой темой как докторанты и постдоки.

«Мы исследовали множество идей, которые никуда не привели, — рассказал Каддеду. — В какой-то момент начинаешь сомневаться в вещах, настолько стандартных, что перестаёшь замечать, что это всего лишь допущения».

Первая попытка усовершенствовать расчёт использовала уравнение Дирака вместо нерелятивистского уравнения Шрёдингера. Это позволило точнее описать движение электрона в ядре, но аномалия осталась. Однако именно этот шаг помог учёным сформулировать ключевой вопрос: а что, если электрон и ядерный переход нельзя рассматривать как два независимых процесса?

Расщепление волновых функций

Традиционный подход разделял поведение ядра и поведение электрона с нейтрино. Такое упрощение казалось разумным и использовалось десятилетиями. Каддеду и коллеги решили пойти дальше: они «расщепили» волновые функции частиц и учли их взаимное влияние. Детали ядерного превращения, которые раньше прятались в едином матричном элементе, вдруг стали важными.

По сути, учёные показали: невозможно описать процесс захвата нейтрино галлием, игнорируя связь между электроном и превращающимся ядром. Это открыло новый взгляд на целый класс слабых процессов — не только на взаимодействие нейтрино с галлием.

Результат численного решения оказался впечатляющим. Новая модель предсказывает большее число электронных нейтрино, которые должны захватываться ядрами галлия. И это число в точности совпадает с данными экспериментов. Расчёт, опубликованный в Physical Review Letters, закрывает многолетний разрыв между теорией и наблюдениями без привлечения новых частиц.

Численный прорыв и человеческий фактор

Для точного решения команда разработала собственный программный пакет. Расчёты оказались сложными, но результат стабильно воспроизводился: ожидаемый выход электронных нейтрино вырос ровно настолько, чтобы объяснить аномалию. Это означает, что физикам не требуется искать загадочные стерильные частицы — достаточно правильно посчитать уже известные процессы.

Каддеду отмечает вклад своей жены Франчески Дордеи, тоже физика и соавтора работы. По его словам, они провели бесчисленные дни, обсуждая проблему и атакуя собственные идеи со всех возможных сторон — иногда специально занимая противоположные позиции, чтобы проверить аргументы на прочность. Были и бессонные ночи, но результат того стоил.

Впрочем, исследователи осторожны в выводах. Возможно, стерильные нейтрино всё-таки существуют — просто галлиевая аномалия больше не может служить доказательством этого. А может быть, новый подход изменит интерпретацию и других экспериментов с нейтрино, где применялось похожее упрощение.

Что покажет проверка расчёта другими группами и какие ещё процессы придётся пересмотреть, если новая модель верна? Ответы на эти вопросы физики будут искать в ближайшие годы — но впервые за десятилетия загадка галлия перестала требовать необычных объяснений.