Нейтрино: что нового в NuFIT 7.0

Экспериментальная нейтринная физика сейчас вошла в прецизионную эпоху, но все еще эксперименты трудны и каждый следующий шаг стоит много усилий и времени. В связи с этим особую важность приобретает совместный анализ экспериментальных данных. Часто он может дать неожиданные выводы, к которым каждый отдельный эксперимент не очень то и чувствителен.

На днях, Томас Шветц представил предварительные результаты глобального анализа NuFIT 7.0. В него вошли 207 суток работы JUNO, обновлённые данные T2K и новые результаты по атмосферным нейтрино.

Трёхфлейворная схема по-прежнему хорошо описывает все данные, но порядок масс, положение θ₂₃ относительно 45° и нарушение CP-симметрии остаются открытыми вопросами.

Осцилляции описываются шестью параметрами: двумя разностями квадратов масс, тремя углами смешивания и фазой δCP. Пять из них уже достаточно надёжно определены. Главный эффект первых данных JUNO — заметный рост точности. На уровне 3σ относительная ширина допустимого интервала для θ₁₂ уменьшилась с 13% до 6,3%, для Δm²₂₁ — с 15% до 5,7%, а для |Δm²₃₁| — с 5,1% до 3,8%. Сейчас Δm²₂₁ = (7,414 ± 0,070)×10⁻⁵ эВ².

С порядком масс всё сложнее. Мы знаем, что m₂ > m₁, но не знаем, где находится третье массовое состояние. При нормальном порядке m₁ < m₂ < m₃, при инвертированном — m₃ < m₁ < m₂.

T2K и NOvA по отдельности слегка предпочитают нормальный порядок, но их результаты лучше согласуются друг с другом при инвертированном. Глобальный анализ в данном случае пришел к прямо противоположному выводу. Но это, в том числе, потому, что значимость индивидуальных результатов не велика.

Нейтрино любят нормальное!

Другие данные указывают на нормальный порядок. Реакторные измерения исчезновения электронных антинейтрино и ускорительные измерения исчезновения мюонных нейтрино определяют немного разные эффективные разности квадратов масс. Сейчас они лучше согласуются при нормальном порядке. Атмосферные нейтрино также предпочитают его, поскольку осцилляции в веществе Земли зависят от порядка масс. После объединения всех данных нормальный порядок получает преимущество примерно на уровне 3σ. Это заметное указание, но ещё не окончательный результат: если убрать один из основных классов данных, значимость существенно падает.

Нарушение CP-четности.

Вывод о CP-нарушении тоже зависит от порядка масс. При нормальном порядке сохранение CP совместимо с данными; предпочтения той или иной октанты θ₂₃ нет, а θ₂₃ = 45° допустимо примерно на уровне 1σ. При инвертированном порядке лучшее значение δCP ≈ 290°, сохранение CP отвергается более чем на 3σ, а θ₂₃ > 45° предпочтительнее примерно на 2σ. Но сам инвертированный порядок в целом описывает данные хуже, поэтому говорить об обнаружении CP-нарушения пока нельзя.

Массы нейтрино и иерархия.

Осцилляции измеряют только разности квадратов масс, но задают нижнюю границу для их суммы: Σmν ≥ 0,058 эВ при нормальном порядке и Σmν ≥ 0,098 эВ при инвертированном. KATRIN получил прямое ограничение mβ < 0,45 эВ. Поиски безнейтринного двойного β-распада дают mββ ≲ 0,07 эВ — если нейтрино действительно майорановские.

Космология в рамках ΛCDM даёт гораздо более жёсткое ограничение: Σmν < 0,071 эВ на уровне достоверности 95%. Это ниже минимальной суммы для инвертированного порядка и лишь немного выше минимума для нормального. Соответствующее p-значение согласия с земными данными составляет около 9% для нормального порядка и 1% для инвертированного. Если воспринимать эти результаты буквально, обратная иерархия масс менее вероятна, чем прямая.

Но Шветц предлагает не торопиться. Прежде чем исключать инвертированный порядок с помощью космологии, хотелось бы сначала получить надёжный сигнал Σmν > 0. Пока космологический анализ предпочитает сумму масс, близкую к нулю, хотя осцилляции гарантируют, что она ненулевая. Сначала надо понять, насколько результат зависит от систематики, выбора наборов данных и предположений ΛCDM.

Текущий вывод.
Нормальный порядок получает совокупное предпочтение около 3σ, но ещё не установлен. CP-нарушение не обнаружено, а абсолютный масштаб и природа массы нейтрино — дираковская она или майорановская — по-прежнему неизвестны.

Казалось бы, при чем тут ФНАФЧ?

В программе онлайн-образования мы изучим как физику нейтрино, частиц, квантовых полей, так и математику, включая статистический анализ. Почему у нас в России до сих пор нет своей группы, делающий глобальный анализ экспериментальных данных?!