Анализ накладывает самые общие ограничения на нестандартные взаимодействия нейтрино

Нейтрино иногда называют «призрачными частицами», потому что они настолько редко взаимодействуют с материей, что могут путешествовать практически через что угодно. Однако, путешествуя через материю, они могут «замедляться», в зависимости от типа нейтрино (или «аромата»), в результате так называемого «эффекта материи».

Схематическое изображение Deep Core

Во многих моделях BSM нейтрино имеют дополнительные взаимодействия с веществом из-за новых и до сих пор неизвестных сил природы. Эти взаимодействия могут влиять на разные ароматы нейтрино в разной степени, и сила результирующих эффектов материи зависит от плотности вещества, через которое проходят нейтрино. Если исследователи наблюдают эффекты материи, которые можно объяснить как «нестандартные взаимодействия» (NSI), это может указывать на новую физику.

Нейтринная обсерватория IceCube, набор датчиков, встроенных во льды Южного полюса, был построен для обнаружения и изучения нейтрино из космоса. Но в центре IceCube находится подмножество более плотно упакованных датчиков под названием DeepCore; эта область чувствительна к нейтрино с более низкой энергией, образующимся в атмосфере Земли, на которые потенциально сильнее влияют нестандартные эффекты материи. В статье, опубликованной сегодня в Физический обзор D, IceCube Collaboration обсуждает анализ, в котором они изучили данные DeepCore за три года, чтобы увидеть, имеют ли атмосферные нейтрино дополнительные взаимодействия с веществом. Этот анализ накладывает ограничения на все параметры, используемые для описания NSI, что является улучшением по сравнению с предыдущими анализами, которые были ограничены только режимами NSI, к которым IceCube наиболее чувствителен.

Ценные послы новой физики

«Атмосферные нейтрино — отличный зонд для проверки наличия у нейтрино NSI, потому что они проходят прямо через Землю, включая ее центр, который имеет очень высокую плотность материи», — говорит Элиза Лохфинк, аспирантка Университета Майнца в Германии и руководитель исследования. это издание. Изменения плотности вещества напрямую меняют характер осцилляций нейтрино — то, как нейтрино меняют свой вкус, или «колеблются» — и, следовательно, то, какие ароматы нейтрино достигают детектора Южного полюса. IceCube DeepCore чувствителен к этим эффектам материи из-за огромного количества атмосферных нейтрино, которые он обнаруживает каждый год.

В этом анализе, проведенном аспирантом Университета Майнца Томасом Эрхардтом, исследователи изучили паттерны осцилляций нейтрино, поступающих в DeepCore со всех сторон, и определили, соответствуют ли они ожиданиям Стандартной модели или проявляют эффекты от любого из пяти эффективных параметров, которые измерить, насколько больше взаимодействует аромат нейтрино, чем в Стандартной модели. Затем исследователи могли бы ограничить эффективные параметры NSI, проверив, насколько хорошо картина колебаний соответствует различным сценариям NSI.

Сначала Эрхард и его сотрудники исследовали один эффективный параметр за раз, получив результаты, показанные на рисунке выше. Полностью свободные НСИ исследовались отдельно. Поскольку анализ в значительной степени не зависел от каких-либо конкретных базовых моделей, исследователи смогли ограничить NSI, не полагаясь на правильность одной модели.

Исследователи смогли установить пределы для каждого из пяти возможных параметров NSI индивидуально с чувствительностью, которая, по крайней мере, сопоставима с совокупными мировыми пределами, — достижение, которое Лохфинк назвал «беспрецедентным». По словам исследователей, более важным является открытие, что IceCube может исследовать модели, в которых они соответствуют всем параметрам сразу. «Насколько мы понимаем, в мире нет другого эксперимента, который мог бы сделать это с помощью одного измерения», — говорит Себастьян Бёзер, профессор Университета Майнца. «Мы можем ограничить беспрецедентный диапазон моделей новой физики в нейтринном секторе». В результате получилось значительное улучшение по сравнению с предыдущим анализом IceCube, в котором рассматривался только один параметр.

Исследователи надеются, что остальная часть нейтринного сообщества уловит результаты и включит их в глобальные исследования. Лохфинк и ее сотрудники уже работают над последующим анализом с использованием гораздо большей выборки данных — данных за восемь лет вместо трех — с гораздо большей чувствительностью. Они надеются вскоре получить улучшенный лимит.

«В долгосрочной перспективе обновление IceCube действительно изменит правила игры для такого типа анализа», — говорит Бёзер. «Обновление не только обеспечит лучшую калибровку и уменьшит влияние систематических погрешностей, но также позволит нам намного, намного лучше разрешить осцилляции нейтрино и, следовательно, позволит нам гораздо более ясно увидеть потенциальные отклонения от Стандартной модели. Я действительно в восторге от этого! »