Обширная группа российских ученых, представляющих ведущие научные учреждения, такие как Физический институт имени П.Н. Лебедева РАН, Объединенный институт ядерных исследований, НИЦ «Курчатовский институт», МФТИ и Институт ядерных исследований РАН, осуществила один из наиболее точных в мире экспериментов, направленных на выявление больших дополнительных измерений Вселенной. Используя уникальный детектор DANSS, размещенный вблизи энергетического ядерного реактора на Калининской АЭС, исследователи проанализировали рекордное количество – 5.8 миллиона событий взаимодействия антинейтрино. Несмотря на отсутствие прямого доказательства существования «скрытых миров», полученные данные определили наиболее строгие на текущий момент ограничения на их возможные характеристики и с высокой степенью достоверности опровергли гипотезу о дополнительных измерениях как объяснение многолетних проблем в физике нейтрино. Результаты исследования опубликованы в журнале JETP Letters.
Современная физика элементарных частиц базируется на Стандартной модели – изящной и весьма эффективной теории, которая, тем не менее, не охватывает всех аспектов реальности. Она не учитывает гравитацию и не дает ответов на ряд ключевых вопросов. Среди них – «проблема иерархии», заключающаяся в огромной разнице между силой гравитации и тремя другими фундаментальными взаимодействиями. Чтобы разрешить эту проблему, физики-теоретики выдвинули смелую гипотезу: возможно, наша Вселенная обладает множественностью измерений, а мы существуем на трехмерной «мембране» или «бране», находящейся в пространстве с большим количеством измерений. В подобных моделях гравитация воспринимается как слабая, поскольку ее сила распределяется по всем измерениям, в то время как остальные взаимодействия ограничены нашим трехмерным пространством.
Данная гипотеза, получившая название модели больших дополнительных измерений (LED), влечет за собой неожиданные последствия для нейтрино — самой трудноуловимой частицы, известной науке. Согласно этой модели, нейтрино, в отличие от большинства других частиц, потенциально способны «проникать» или колебаться в эти скрытые измерения, что делает их незаметными для наших приборов. В случае подтверждения этой возможности, при наблюдении за потоком нейтрино, исходящим от мощного источника, мы должны обнаружить их необычное уменьшение. У физиков были серьезные основания для поиска именно такого эффекта. На протяжении нескольких десятилетий существовали две неразрешенные загадки, или «аномалии»: реакторная антинейтринная аномалия (замеченный дефицит антинейтрино от ядерных реакторов по всему миру) и галлиевая аномалия (аналогичное снижение в экспериментах с радиоактивными источниками). Модель LED представляла собой одно из наиболее перспективных объяснений этих явлений.
Эксперимент DANSS отлично подходит для проверки данной гипотезы. Сокращение DANSS расшифровывается как «Детектор антинейтрино на основе твердотельного сцинтиллятора». Это компактный куб объемом один кубический метр, состоящий из 2500 сцинтилляционных счетчиков, регистрирующих вспышки света, возникающие при взаимодействии антинейтрино. Особенностью детектора является его расположение и возможность перемещения. Он расположен непосредственно под ядром реактора ВВЭР-1000 тепловой мощностью 3 ГВт, что обеспечивает значительный поток антинейтрино и позволяет фиксировать до 5000 событий в день. Кроме того, детектор установлен на подвижной платформе, позволяющей изменять расстояние до центра активной зоны реактора от 10.9 до 12.9 метра. Эта важная особенность позволила ученым использовать изящный методический подход: путем измерения спектра антинейтрино в различных точках и последующего определения отношения этих спектров, им удалось практически полностью исключить систематические ошибки, связанные с неопределенностью в исходном потоке частиц от реактора.
Изучив информацию, полученную в период с 2016 по 2024 год, совместная научная группа не выявила статистически подтвержденных колебаний нейтрино, связанных с дополнительными измерениями. Полученные данные полностью соответствуют общепринятой модели трехмерного пространства, не содержащего «туннелей» для нейтрино. Тем не менее, в современной физике отрицательные результаты нередко бывают столь же значимы, как и открытия. Не найдя предполагаемого эффекта, исследователи смогли с исключительной точностью определить область, в пределах которой невозможны параметры гипотетической модели — величину дополнительного измерения и массу самого легкого нейтрино.
Наталия Скробова, сотрудник кафедры фундаментальных взаимодействий и физики элементарных частиц МФТИ, пояснила: «Наш эксперимент напоминает попытку уловить едва различимый сигнал на фоне сильного помех. Для подавления этого шума мы использовали уникальное расположение и конструкцию детектора DANSS. Хотя мы и не зарегистрировали прямого сигнала от нейтрино, предположительно перемещающихся в другие измерения, нам удалось с невиданной ранее точностью определить области, где их точно нет. Мы существенно ограничили область поиска новой физики, исключив значительное количество параметров, которые ранее предлагались для объяснения аномалий. В научной деятельности такой результат имеет огромное значение, так как позволяет отсечь ошибочные направления и сосредоточить ресурсы на более многообещающих теориях».
Установленные ограничения признаны наиболее эффективными в мире в ряде сфер. При этом, что наиболее важно, они с вероятностью более 99% исключают параметры, которые ранее считались наиболее подходящими для объяснения реакторной и галлиевой аномалий. Это серьезный аргумент против идеи о том, что эти загадки могут быть разрешены простой моделью с одним дополнительным измерением. Данные, полученные в эксперименте DANSS, указывают на то, что, вероятно, причиной аномалий являются не экзотические явления в физике, а более обыденные факторы, такие как неточности в наших моделях ядерных процессов, происходящих внутри реактора.
Сотрудничество DANSS демонстрирует, как высокоточные измерения, приближающиеся к пределу технологических возможностей, позволяют проверять самые дерзкие гипотезы о структуре окружающего нас мира. Несмотря на то, что поиск «новой физики» не прекращается, благодаря российским исследователям область этих поисков существенно сузилась.
Научная статья: И. Г. Алексеев, В. В. Белов, А. Д. Быстряков и др., Поиск больших дополнительных измерений в эксперименте DANSS, JETP Letters, 2025, Vol. 122, No. 1, pp. 1-7, https://doi.org/10.1134/S0021364025607110.