Dla fizyków była jak kamień filozoficzny. Cząstka, która miała zmienić fizykę, nigdy nie istniała
Dziesięć lat precyzyjnych pomiarów, setki naukowców i jeden wielki znak zapytania. Fizycy tropili cząstkę, która miała tłumaczyć anomalie w zachowaniu neutrin i wskazywać drogę poza tzw. Model Standardowy. Miał być przełom i stworzenie "nowej fizyki". Wyszło co innego - podejrzany najpewniej nigdy nie istniał.
Dziesięć lat. Tyle czasu międzynarodowy zespół fizyków spędził na tropieniu cząstki, która miała wywrócić fizykę cząstek do góry nogami. Trop był poważny, hipoteza nośna, a stawka wysoka. Dziś wiadomo jedno - domniemany "tajemniczy składnik" rzeczywistości najprawdopodobniej nigdy nie istniał. To jeden z tych przypadków, gdy lata pracy kończą się nie spektakularnym odkryciem, a obaleniem tezy.
Dziesięć lat w laboratorium Fermilab. Neutrino nie istnieje
Wyniki opublikowane na łamach Nature pochodzą z eksperymentu MicroBooNE prowadzonego w Fermi National Accelerator Laboratory w Batavii w stanie Illinois. Naukowcy przez dekadę analizowali dane zebrane przez ogromny detektor ciekłego argonu, rejestrując neutrina pochodzące z dwóch niezależnych wiązek.
Celem było sprawdzenie, czy za nietypowym zachowaniem neutrin obserwowanym w starszych eksperymentach może stać czwarty ich rodzaj, tzw. neutrino sterylne. Analiza pozwoliła wykluczyć jego istnienie z 95-procentową pewnością.
Kandydat na "nową fizykę" nigdy nie istniał
Neutrina to jedne z najbardziej nieuchwytnych cząstek we Wszechświecie. Model Standardowy przewiduje istnienie trzech ich typów, zdolnych do wzajemnych przemian. Jednak wcześniejsze pomiary sugerowały odstępstwa od teorii. To właśnie one rozpaliły do czerwoności wyobraźnię fizyków, którzy zaproponowali istnienie neutrina sterylnego - cząstki, która nie oddziałuje z materią, poza oddziaływaniem grawitacyjnym. Idealnego kandydata na "nową fizykę".
Ten wynik rozpali nowe pomysły w badaniach nad neutrinami, próbujące wyjaśnić, co naprawdę się dzieje. Możemy wykluczyć poważnego podejrzanego, ale to nie oznacza rozwiązania zagadki.
Co dalej po wykluczeniu? Porażka fizyków?
Znaczenie tego rezultatu wykracza poza jedną hipotezę. Wyeliminowanie neutrina sterylnego zawęża pole poszukiwań zjawisk wykraczających poza Standardowy Model, który wciąż nie tłumaczy natury ciemnej materii, ciemnej energii ani grawitacji. Kluczowe było tu precyzyjne opanowanie niepewności systematycznych, tj. liczby neutrin w wiązce, sposobu ich oddziaływania z jądrami atomów oraz reakcji samego detektora.
- Dzięki starannemu modelowaniu i pomysłowym metodom analizy zespół MicroBooNE wydobył z tego detektora niewiarygodną ilość informacji. W kolejnych eksperymentach, takich jak DUNE, te techniki pozwolą nam stawiać jeszcze bardziej fundamentalne pytania o naturę materii i istnienie Wszechświata - mówi dr Mastbaum.
Choć jesteśmy przyzwyczajeni do ogłaszania spektakularnych odkryć, niekiedy nagradzanych prestiżowymi nagrodami (na czele z Nagrodą Nobla), czasami wieloletnie badania kończą się obaleniem pewnej postawionej tezy badawczej. Ale w żadnym wypadku nie powinniśmy traktować tego jak porażkę. Czasem największym odkryciem w nauce jest dowód, że czegoś nie ma. A potwierdzeniem tego niech będzie fakt, że opisane wyżej badania zostały opublikowane w jednym z najważniejszych czasopism naukowych - Nature.
Źródło: Uniwersytet Rutgersa
Publikacja: P. Abratenko et al., Search for light sterile neutrinos with two neutrino beams at MicroBooNE, Nature 2025.
