Нейтрино могут стать последней каплей для Стандартной модели

Некоторые физики удивляются тому, что два относительно недавних открытия привлекли столько внимания: космическая инфляция, постоянное расширение Вселенной, и бозон Хиггса, дающий массу другим частицам. Конечно, открытия пьянящие и весьма интересные, но ни для кого не секрет, что они весьма скучны. Физики устали от Стандартной модели, и по мнению многих, для физики в целом было бы лучше, если бы бозон Хиггса не нашли.

Эти открытия показывают, что наши основные теории, объясняющие поведение большого и малого — Большого Взрыва и Стандартной модели субатомных частиц и сил — точны и хорошо отлажены. Но космическая инфляция и бозон Хиггса не помогут объединить эти явления и ответить на самые глубокие космические вопросы. «Стандартная модель, в своем нынешнем виде, не может хорошо объяснить, почему Вселенная именно такая, какой мы ее видим», — говорит Марк Мессье, профессор физики в Университете Индианы.

Чтобы выйти за пределы моделей, которые у нас есть, за пределы Стандартной модели, нам нужны результаты, которых мы не ожидаем. И когда доходит до неожиданных результатов, мы видим только одно: нейтрино. Эти частицы распространены и очень странные, и они постоянно нас бомбардируют.

Будучи практически эфемерными, нейтрино могут серьезно изменить наше видение Вселенной, если бы физики могли ответить на четыре главных вопроса:

• Как обычная материя влияет на нейтрино?
• Что оснащает нейтрино массой?
• Живут ли антинейтрино отличной от нормальных нейтрино жизнью?
• Могут ли эти призрачные частицы быть сами себе античастицами?

Стандартная модель, которую физики взращивали с 50-х годов прошлого века, со всеми кварками, лептонами и переносящими силы частицами, ответить на эти вопросы не может. Крупные нейтринные эксперименты в США, Японии и Европе собирают данные и готовятся решить эти проблемы. Данные инициативы могут не только разгадать тайну призрачных частиц, но и привести нас к совершенно другим вопросам о природе вещей.

Что не так с нейтрино?

Нейтрино — вторые из самых распространенных частиц во Вселенной (после фотонов), но они не переносят заряд и ничтожны во всех смыслах. Нейтрино минимум в миллион раз легче электрона, хоть ни один из экспериментов и не вычислил их массу. Также они практически не взаимодействуют с материей. Они рождаются в далеких сверхновых и беспрепятственно путешествуют сквозь пространство-время. Нейтрино пролетают сквозь планеты в один присест. Миллиарды и еще раз миллиарды частиц излучаются Солнцем, пока вы это читаете, пролетают сквозь ваш экран и вас, не вызывая никакого эффекта. Движутся они почти со скоростью света. Настолько «почти», что одна малюсенькая ошибка в эксперименте вызвала ложный крик о том, что нейтрино движутся быстрее света, в 2011 году.

Однако, самое странное свойство нейтрино заключается в том, что им не обязательно заканчивать свое путешествие точно такими же, какими они его начинали.

В 1998 году 11 000 фотоумножителей подземного детектора «Супер-Камиоканде» в Японии подтвердили, что суть нейтрино, спускающихся из атмосферы и прошедших сквозь Землю, отличается. По дороге от Солнца они изменили тип, выбрав один из трех вариантов. Это колебание указало на то, что у нейтрино действительно есть масса. Если бы у них ее не было, больше выбирать было бы не из чего.

Узнать об этих частицах хоть что-то было крайне трудно, поскольку нейтрино сложно обнаружить и произвести. Но в настоящее время есть несколько способов сделать это. Экспериментаторы могут захватить немного на пути от Солнца, как тот самый японский детектор и другие его коллеги. Или же они могут разместить детекторы рядом с ядерными реакторами, которые производят электронные антинейтрино. Наконец, физики могут запустить ускорители частиц и столкнуть протоны с кусочками графита, в процессе этого создавая потоки нейтрино. Последнему эксперименту еще предстоит случиться. Искусственные нейтрино легче захватить, чем их неуловимых родственников, но из-за их квантовой природы обнаружение нейтрино является вероятностной задачей.

«Каждый раз, когда мы могли измерить свойство нейтрино, мы удивлялись этому», — комментирует Патрик Хьюбер, теоретик нейтрино в Технологическом университете Вирджинии.

Ароматы нейтрино — электрон, мюон и тау — не являются отдельными индивидуальными частицами, а комбинациями разных масс нейтрино. Эти массы связаны с энергиями нейтрино, как Эйнштейн учил нас в E=mc². Хотя нейтрино могут родиться с определнной энергией, а значит и с определенным ароматом (Солнце, например, производит множество электронных нейтрино), квантовое состояние этих нейтрино представляет собой смесь всех трех, закрученную во времени. «Они просто по своей сути квантово-механические. Если я дам вам электрон и спрошу через десять минут, остался ли электрон в вашей руке, ответом будет «да», — говорит Мессье. — А вот нейтрино — нет».

Что же не так с нейтрино? Хотя их масса исчезающе мала, обычная материя может с ними взаимодействовать. Роберт Уилсон, профессор физики в Университете штата Колорадо, сравнивает нейтрино со светом, проходящим через фильтр. Некоторые длины волн меняются, другие нет. Точно так же, некоторые виды нейтрино, могут зацепиться за обычную материю, хотя другие пролетят.

В прошлом месяце японские экспериментаторы продемонстрировали этот колебательный эффект, обнаружив, что нейтрино более яркие ночью. По мере того, как электронные нейтрино летят потоком от Солнца в направлении Земли, они колеблются между мюон- и тау-нейтрино. Но после того, как они проходят через плотную материю нашей планеты, некоторые из них меняются в обратную сторону. Это говорит о том, что некоторые квантово-механические трансформации происходят во время взаимодействия с веществом на Земле, в частности с электронами. По словам Мессье, электронные нейтрино могут обмениваться с W-бозоном, носителем слабой силы, во время этого взаимодействия.

«Это как поцеловать электроны и полететь дальше. Это слабая сила взаимодействия, — говорит он. — W-бозон изменяет фазу своей волны, не изменяя импульса».

Эксперимент LBNE займется рассмотрением этих связанных с материей эффектов, которые приводят к появлению капель электронных нейтрино посреди душа из мюон-нейтрино. Ускорители Fermolab будут посылать нейтрино на полторы тысячи километров в детектор с жидким аргоном, погребенным под Южной Дакотой. Это позволит физикам не только изучить эффекты материи, но и выяснить, какая материя взаимодействует с нейтрино в первую очередь.

Уилсон отмечает, что этот крошечный эффект имеет важные последствия для асимметрии между веществом и антивеществом.

«Это все еще нейтрино, частица никак не изменилась. Но вероятность того, что вы увидите изменение измерений зависит от того, сквозь какое количество массы прошли нейтрино».

Как насчет собственной массы нейтрино? Стандартная модель не может объяснить и это. Физики смогли только сказать, что нейтрино отличаются друг от друга, но никакой конкретики. Мы не знаем, какие нейтрино самые тяжелые, а какие — самые легкие. Детектор под названием NuMO Off-axis ve Appearance, или NOvA, поможет определить массовую иерархию нейтрино. NuMI — это пучок нейтрино из Fermilab; 14000-тонный детектор NoVA будут следить за несоответствием между отходящими мюон-нейтрино и прибывающими электрон-нейтрино.

Даже если в ходе этих экспериментов удастся генерировать новые данные о массе, физики не смогут точно сказать, как эта масса возникает. Поскольку нейтрино легче любых других частиц, вряд ли механизм Хиггса будет наделять их массой, как это происходит с другими частицами.

«Должен быть какой-то механизм, который определяет их массы, — говорит Мессье. — Но какие массы? Какому порядку они следуют? Каков порядок смешения? Это запустит целый ряд экспериментальных программ, которые еще больше усугубят проблемы Стандартной модели».

LBNE, NOvA и другие предстоящие эксперименты растянут эти трещины, пока Стандартная модель полностью не рухнет. И на руинах ученые надеются построить новую теорию физики.

Правонарушители

Помимо предоставления известного источника откалиброванных нейтрино, ускоритель пучков также может производить нейтрино. Это позволяет экспериментаторам искать различия в том, как осциллируют эти два типа частиц. Понимание механики колебаний нейтрино и антинейтрино приоткроет завесу тайны над асимметрией Вселенной: почему она наполнена скорее чем-то, чем ничем?

Физики используют термин заряда-четности, или CP, говоря о симметрии между материей и антиматерией во Вселенной. Если бы не было симметрии, не было бы и Вселенной. Равные части материи и антиматерии, созданные в процессе Большого Взрыва, исчезли бы во вспышке излучения.

«И мы могли бы подумать, что так и было, если бы не факт нашего существования, что опровергает эту теорию», — говорит Уилсон.

Случилось что-то, что склонило чашу весов в нашу пользу. Выяснение этого требует некоторых ключевых цифр, в том числе числовых значений, описывающих смеси между разными ароматами нейтрино.

В 2012 году в ходе эксперимента Daya Bay были проведены первые измерения одного из этих углов смешивания (тета-один-три), в результате чего выяснилось, что он больше нуля. Хотя другие эксперименты пытались уточнить это число, сам факт, что это не ноль, важен, поскольку означает, что нейтрино ведут себя не так, как антинейтрино. Другой угол смешения, CP-нарушающая фаза дельта, также указывает на отличие. Определение значения этой дельты — одна из важных целей LBNE.

LBNE, строительство которого потребует 857 миллионов долларов за 10 лет, будет измерять взаимодействие нейтрино с материей в собственных целях, но это также поможет физикам изучить иерархию масс нейтрино. А знание этих значений позволит физикам изучить CP-нарушение без ошибок.

Мессье возлагает еще большие надежды на это.

«Это худший случай: все, что вы делаете — это измеряете дельту. В худшем случае, мы уточняем текущую парадигму. В лучшем случае, мы ее опровергаем. Мы видим свидетельства того, что у нас нет полной картины, поэтому эта прекрасная история о массах и смешиваниях, которую мы себе рассказываем, может быть неполной. Нам нужно заложить фундамент, чтобы лучше понимать, что происходит».

Разрушение парадигмы могло бы указать на что-то очень странное: например, на то, что нейтрино являются сами себе антинейтрино (что поместит их в группу так называемых майорановских частиц). Такие «джекил-и-хайд-частички» способны вибрировать в двух разных формах, в зависимости от того, как вы на нее посмотрите. Единственные частицы, которые могут вести себя так же, — это бозоны (фотоны, например).

Физики смогли бы подтвердить, что нейтрино — это майорановские частицы, путем так называемого безнейтринного двойного бета-распада. Обычный радиоактивный распад происходит, когда атомные ядра теряют вес, преобразуя нейтрон в протон и испуская бета-частицы — электроны и нейтрино. Так, например, атом радиоактивного углерода (с восемью нейтронами и шестью протонами) превращается в стабильный азот (по семь каждых частиц). Двойной бета-распад происходит реже, при нем два нейтрона одновременно превращаются в два протона, два электрона и два нейтрино. В этом случае тяжелый изотоп пропускает шаг по периодической таблице. В безнейтринной версии этого события, нейтрон расщепится на электрон и нейтрино, которое тут же абсорбируется другим нейтроном. Этот второй нейтрон также распадется, но только отдает другой электрон. Это может произойти, если нейтрино и антинейтрино — одно, так сказать, лицо. Эксперимент под названием Majorana Demonstrator, который сейчас строится в Южной Дакоте, будет заниматься поисками этих событий, используя детекторы из германия-76.

Детектор LBNE также будет ориентироваться на эти эффекты.

Хотя триллионы частиц будут постоянно протекать через детекторы, нейтрино настолько трудно обнаружить, что аппаратное обеспечение LBNE, NOvA, T2K и других детекторов будет работать годы, прежде чем измерит поведение нейтрино и их ароматы. Даже это потребует определенной ловкости рук: нейтрино не взаимодействуют напрямую, поэтому ученые находят их по крошечным вспышкам света, которые излучают другие частиц, когда нейтрино их поражают. Можете назвать это ароматом аромата частицы.

Детектор Super-K поймал его, наблюдая за вспышками голубого света в огромном чане с водой, излучением Черенкова. Детектор NOvA будет использовать жидкий сцинтиллятор, состоящий из сотен тысяч пластиковых труб, наполненных жидкостью, которая светится, когда частицы проходят через нее. Инженеры Fermilab сконструировали специальных роботов, которые будут ползать по трубам и эффективно их крепить. LBNE будет использовать проверенные методы наблюдения за нейтрино, выверенные в ходе эксперимента ICARUS, которые подразумевают использование сетки под высоким напряжением, погруженной в жидкий аргон.

Что дальше?

Продвижение физики за пределы Стандартной модели и потенциальное приближение Теории великого объединения напрямую зависит от того, что увидят новые детекторы. Сигналы LBNT могут намекнуть на возможное четвертое нейтрино, большое или маленькое, которое поднимет новые вопросы о темной материи и происхождении Вселенной.

Даже объяснение загадок нейтрино не сможет полностью объяснить асимметрию материи и антиматерии, или объединение ядерных сил, или отношение этих сил к гравитации, или что такое темная материя, или что такое темная энергия.

Возможно, мы совершенно неправильно представляем себе все это.

«Кеплер думал, что самый важный вопрос в науке — понять, почему в Солнечной системе шесть планет. Он не знал о двух других, — говорит Хьюбер. — Теперь мы знаем, что у большинства звезд есть свои планеты. Точно так же, как сегодня мы не знаем многих вопросов и многих ответов, через сто-двести лет они будут ерундой. Или не будут».

Хотя Большой адронный коллайдер успешно обнаружил бозон Хиггса — собственно, для этого он и строился — он до сих пор не смог раздвинуть границы Стандартной модели. Точно так же, как теоретики надеются выйти за ее пределы, Хьюбер предлагает физикам переключиться с гигантских коллайдеров к кольцам, собирающим мюоны, мюонным коллайдерам и «нейтринным фабрикам», позволяющим создавать большие и точные пучки нейтрино.

«Максимально точное измерение нейтрино — это хороший маршрут, — говорит ученый. — Очевидно, что нейтрино готовят нам сюрпризы один за одним».

Подробнее о пользе изучения нейтрино, о том, как высокоэнергетические частицы позволяют исследовать историю нашей Вселенной, читайте здесь.