Vnitřek experimentu MiniBooNE. Kredit: US DoE / Fermilab.

Známá neutrina, elementární částice ze skupiny leptonů, jsou divná. Ale sterilní neutrino je ještě divnější. Jde o stále ještě hypotetickou částici, která by na rozdíl od třech známých neutrin, tj. elektronového, mionového a tauonového, neměla podléhat vlivu slabé interakce. Rozuměla by pouze vlivu gravitace. Pokud sterilní neutrino existuje, tak se právě kvůli tomu zatím uniká soudobým experimentům.

Fermilab logo.

Na počátku příběhu sterilního neutrina byl americký experiment LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) v Los Alamos National Laboratory. Byl to vlastně scintilační detektor, který zjišťoval počet neutrin uměle vytvořených na urychlovači. Tvořila ho nádrž se 167 tunami minerálního oleje a 6,4 kilogramy organického scintilačního materiálu. Při reakcích neutrin v takovém detektoru vzniká Čerenkovovo záření, které v tomto případě detekovalo 1220 fotonásobičů.

Cílem experimentu, který probíhal v letech 1993 až 1998, bylo pátrat po kvantově mechanickém jevu oscilace neutrin. Výsledky ovšem fyziky ohromily, i když poněkud jinak, než čekali. Jsou totiž v rozporu se standardním modelem, který na základě řady dalších experimentů ohledně oscilací neutrin očekával pouze zmíněná tři neutrina. Výsledky experimentu LSND jsou dodnes považovány za vysoce kontroverzní a následující experimenty je obvykle vyvracely nebo zpochybňovaly.

Fotonásobiče v detektoru MiniBooNE. Kredit: US DoE / Fermilab.

Jenomže příznivci sterilního neutrina se nevzdali. Bojují za něj třeba v americkém Fermilabu na experimentu MiniBooNE (Mini Booster Neutrino Experiment). Během nedávného výzkumu tam tým MiniBooNE Collaboration zjistil takové množství oscilací neutrin, že to potvrzuje zmíněné kontroverzní výsledky experimentu LSND z devadesátých let. Na Wikipedii se dokonce u experimentu MiniBooNE v těchto dnech objevila pozoruhodná suše znějící věta, která zní stejně slibně jako děsivě: „This represents a significant deviation from known physics.“

Experiment MiniBooNE vypadá na první pohled podobně jako experiment LSND. Obsahuje zdroj neutrin, který pálí do nádrže s 800 tunami minerálního oleje, kde hlídá záblesky záření 1280 fotonásobičů. En-Chuan Huang z týmu MiniBooNE Collaboration se ale dušuje, že experimenty jsou natolik odlišné, že shoda jejich výsledků rozhodně stojí za pozornost.

V novém výzkumu na experimentu MiniBooNE vědci pozorovali oscilace neutrin, při nichž se neutrina mění na elektronová neutrina. Citlivé fotonásobiče v tomto případě sledovaly záblesky, k nimž docházelo při srážkách neutrin a jejich antihmotových protějšků antineutrin. Celkem detekovali 2437 takových interakcí, což je o zhruba 460 více, než kolik jich podle standardního modelu očekávali. Vysvětlením by mohlo být, že se do oscilací neutrin zapojují právě tolik hledaná sterilní neutrina.

Experiment OPERA. Kredit: ETHZ.

Když badatelé MiniBooNE Collaboration zkombinovali svoje výsledky a data experimentu LSND, tak se dostali na statistiku 6,1 sigma, což stručně řečeno znamená, že jim fyzici musejí věnovat pozornost. Jak už to v případě sterilních neutrin bývá zvykem, i tenhle výsledek se hned dostal pod palbu kritiky. Velkým problémem je, že jiné významné neutrinové experimenty, jako je například evropský experiment OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), nic podobného nenašly. Sterilní neutrina nevystopovala ani antarktická IceCube Neutrino Observatory a nedávný poprask kolem údajně scházejících antineutrin kolem jaderných reaktorů, který naznačoval existenci sterilních neutrin, se nakonec ukázal být poněkud trapnou chybou.
Sterilní neutrina jsou mezi kandidáty na částice temné hmoty. Pokud ale experimenty MiniBooNE a LSND jsou skutečně na stopě sterilního neutrina, tak bude poměrně lehké. Prý příliš lehké na to, aby vysvětlilo fenomén temné hmoty. Na druhou stranu, pokud existuje lehké sterilní neutrino, mohly by třeba existovat i těžší sterilní neutrina a to by už byla jiná káva.

Shoda výsledků experimentů MiniBooNE a LSND by tím pádem mohla být nějakou zvláštní anomálií, která vyplývá z povahy neutrin nebo experimentálních zařízení. Na druhou stranu je ale také prý ve hře vcelku reálná možnost, že se mýlí ostatní neutrinové experimenty. V takovém případě bychom možná konečně objevili novou fyziku a museli překopávat standardní model částicové fyziky a celého vesmíru. Příběh sterilních neutrin budeme i nadále sledovat.

Video:  Sterile neutrinos and seesaws


Video:  The Search for Sterile Neutrinos in IceCube


Literatura
Live Science 1. 6. 2018, arXiv:1805.12028.