#Стерильные #нейтрино, #тёмная #материя, #постоянная #Хаббла и #лептонная #асимметрия
Тёмная материя — примерно четверть #Вселенной — до сих пор остаётся загадкой. Но похоже, что недавние эксперименты российских учёных способны пролить свет не только на эту тайну, но и на несколько связанных космологических вопросов: аномальную распространенность гелия, отличие постоянной Хаббла при её измерении на различных красных смещениях, лептонную асимметрию (преобладание частиц над античастицами). Об этих необыкновенных перспективах рассказал на сегодняшнем семинаре профессор, член-корреспондент РАН Анатолий Павлович Серебров из Петербургского института ядерной физики имени Б. П. Константинова (ПИЯФ).
В рамках эксперимента Нейтрино-4 на базе ядерного реактора СМ-3 были измерены нейтринные осцилляции — переходы между хорошо известными обычными нейтрино и так называемыми стерильными нейтрино, которые не вступают в реакции слабого взаимодействия. Достоверность эксперимента составляла около трёх сигма, что находится на границе доверительного интервала. Однако совместный анализ данных Нейтрино-4 и ещё трёх экспериментов (GALLEX — Gallium experiment, SAGE — Soviet-American Gallium Experiment и BEST — Baksan Experiment on Sterile Transitions) подтвердил найденные ранее параметры нейтринных осцилляций с достоверностью 5.8 сигма. Таким образом, можно считать стерильное электронное нейтрино фактически обнаруженным. Следует отметить, что авторы изобрели метод измерения, не зависящий от исходного спектра нейтрино, что существенно снижает погрешность.
Какие же следствия могут быть у этого открытия? Прежде всего, вклад от стерильных нейтрино данного типа в плотность энергии Вселенной оценивается примерно в 5%. Но это ещё не всё: существует три типа обычных нейтрино — электронное, мюонное и тау-нейтрино. Поэтому естественно ожидать и наличия трёх типов стерильных нейтрино. Наблюдать их гораздо сложнее, поэтому параметры их неизвестны. Но при определённом их сочетании, которое не противоречит известным физическим явлениям, суммарная плотность энергии стерильных нейтрино может достигнуть 27% от плотности энергии Вселенной, то есть плотности тёмной материи. Тогда загадка тёмной материи была бы полностью решена.
Более того, наличие стерильных нейтрино влияет на первичный нуклеосинтез и может быть причиной наблюдаемого повышенного содержания гелия(4). Также при распаде стерильных нейтрино может меняться динамика расширения Вселенной. Оценка постоянной Хаббла в ранней Вселенной зависит от количества сортов нейтрино, поэтому взволновавшее учёных различие между локальной и исторической постоянной Хаббла может объясняться модельной зависимостью последней.
Также открытие стерильного нейтрино позволяет сделать выводы о фундаментальных нарушениях симметрии, которые и привели к существованию мира в том виде, к которому мы привыкли. Оказывается, вероятность перехода нейтрино в стерильное нейтрино несколько выше, чем вероятность соответствующей реакции для антинейтрино. Это нарушает баланс нейтрино и антинейтрино, а поскольку стерильные нейтрино не участвуют в слабых взаимодействия, нарушается и баланс барионов и антибарионов. Если бы количество антиматерии совпадало с количеством антиматерии, всё вещество во Вселенной аннигилировало бы и превратилось в чистую энергию. Поэтому лептонная и барионная асимметрия имеют фундаментальное значение для Вселенной.
В данный момент активно ведётся разработка второй нейтринной лаборатории на реакторе СМ- 3, а также установки Нейтрино на реакторе ПИК. Ожидается увеличение точности в три раза и достижение уровня достоверности пять сигма без привлечения результатов других экспериментов. Результаты этих лабораторий должны поставить точку в вопросе стерильных нейтрино, а возможно — и во многих загадках космологии.
