Как массивные нейтрино сломали стандартную модель
Так не должно было быть. Нейтрино, эти крошечные, призрачные, неуловимые, но фундаментальные частицы, не должны были иметь массу. Согласно Стандартной модели элементарных частиц, у нас должно быть три типа нейтрино (электрон, мюон и тау) и три типа антинейтрино, и они должны быть стабильными и неизменными по своим свойствам после создания.
К сожалению, вселенная приготовила для нас другие идеи. Начиная с 1960-х годов, когда появились первые расчеты и измерения нейтрино, производимых солнцем, мы поняли, что существует проблема: изучая солнце, мы знали, сколько (электронных) нейтрино было произведено в его ядре. Но когда мы измерили, сколько (электронных) нейтрино прибывает, мы увидели только треть от предсказанного числа. История раскрытия этой тайны остается единственным надежным способом, с помощью которого физика элементарных частиц вышла за рамки Стандартной модели и все еще может содержать ключ к дальнейшему пониманию Вселенной. Вот как это происходит.
Разница в массе между электроном, самой легкой нормальной частицей стандартной модели и самым тяжелым нейтрино составляет более 4 000 000 раз, и этот промежуток даже больше, чем разница между электроном и верхним кварком. Первоначально нейтрино были предложены для решения проблемы бета-распада, но с тех пор было обнаружено, что они имеют массу. Почему эта масса такая маленькая, неизвестно.
ХИТОШИ МУРАЯМА
Нейтрино зародилось около 90 лет назад, когда физики ломали голову над одним из самых неприятных наблюдений физики: проблемой бета-распада. Существует целый ряд атомных ядер, например, трития, которые не устойчивы к радиоактивным распадам. Одним из наиболее распространенных способов распада атомного ядра, особенно если в нем необычно большое количество нейтронов, лежит бета-распад: когда нейтрон в ядре распадается на протон, испуская электрон.
В течение многих лет мы обнаружили протон , а также испущенный электрон, но чего-то не хватало. В физике элементарных частиц всегда сохраняются две величины:
- энергия, так как суммарная энергия реагентов всегда равна суммарной энергии продуктов,
- и импульс, так как суммарный импульс всех начальных частиц всегда равен суммарному импульсу конечных частиц.
Но почему-то для этих бета-распадов чего-то всегда не хватало: и энергия, и импульс не были сохранены.
Схематическая иллюстрация ядерного бета-распада в массивном атомном ядре. Только если (отсутствует) энергия и импульс нейтрино включены, могут ли эти величины быть сохранены. Переход от нейтрона к протону (а также к электрону и антиэлектронному нейтрино) энергетически выгоден, так как дополнительная масса преобразуется в кинетическую энергию продуктов распада.
WIKIMEDIA COMMONS USER INDUCTIVELOAD
У некоторых, например у Нильса Бора, было радикальное предположение, что, возможно, энергия и импульс на самом деле не сохраняются; возможно, они каким-то образом могут быть потеряны. Но у Вольфганга Паули была другая — возможно, даже более радикальная — мысль: возможно, в этих распадах испускается новый тип частиц, который мы просто еще не способны увидеть. Он назвал его "нейтрино“, что по-итальянски означает "маленький нейтральный", и, выдвинув гипотезу, отметил совершенную им ересь:
Я сделал ужасную вещь, я постулировал частицу, которую невозможно обнаружить.
Согласно теории Паули, появился новый класс частиц, которые выделяются в определенных ядерных реакциях. Когда нейтрон распадается на протон и электрон, он также должен создать антиэлектронное нейтрино, сохраняя как число лептонов (общее число лептонов минус общее число антилептонов), так и число семейства лептонов (одинаковое число лептонов минус число антилептонов в каждом из семейств электронов, мюонов и тау). Когда мюон распадается на электрон, он должен производить мюонное нейтрино и антиэлектронное нейтрино, чтобы сохранить все, что требуется.
Предложенная в 1930 году невероятная теория Паули была подтверждена в 1956 году, когда были обнаружены первые (анти)нейтрино, полученные в результате их производства в ядерных реакторах.
Однако как только мы начали понимать, как ядерные реакции питают солнце, стало ясно, что самый большой источник нейтрино на Земле будет не от ядерных реакций, созданных людьми, а от самого Солнца. Внутри Солнца каждую секунду происходит около ~1038 ядерных реакций, производя электронные нейтрино (наряду с позитронами) каждый раз, когда Протон превращается в нейтрон в конечном итоге образуя более тяжелые элементы, такие как гелий. Основываясь на том, сколько энергии излучает Солнце, мы можем рассчитать численную плотность этих электронных нейтрино, которые должны постоянно прибывать на Землю.
Мы выяснили, как создавать детекторы нейтрино, создавая огромные емкости, наполненные материалом для взаимодействия с ними, окружая их детекторами, которые были чрезвычайно чувствительны даже к единственному взаимодействию нейтрино с целевой частицей. Но когда в 1960-х годах мы начали измерять эти нейтрино, то очень удивились: количество прибывших нейтрино составляло лишь около трети от того, что мы ожидали. Или что-то было не так с нашими детекторами, или что-то было не так с нашей моделью Солнца, или что-то было не так с самими нейтрино.
Нейтринное событие, идентифицируемое по кольцам излучения Черенкова, которые появляются вдоль фотоэлектронного умножителя, выстилающего стенки детектора, демонстрирует успешную методологию нейтринной астрономии. Это изображение показывает несколько событий и является частью комплекса экспериментов, прокладывающих нам путь к более глубокому пониманию нейтрино.
SUPER KAMIOKANDE COLLABORATION
Реакторные эксперименты быстро опровергли представление о том, что с нашими детекторами что-то не так; они работали именно так, как и ожидалось, с чрезвычайно высокой эффективностью. Нейтрино, которые мы детектировали, детектировались пропорционально количеству прибывающих нейтрино. В течение десятилетий многие астрономы утверждали, что наша модель Солнца должна быть несовершенной, но модели, которые наиболее сильно согласовывались со всеми электромагнитными данными, предсказывали гораздо больший поток нейтрино, чем то, что мы наблюдали.
Конечно, было еще одно невероятное предположение, которое - если оно верное - изменило бы нашу картину Вселенной по сравнению с тем, что предсказывала Стандартная Модель. Предположение заключается в следующем: три типа нейтрино, которые у нас есть, на самом деле являются массивными, а не безмассовыми, и что они могут смешиваться вместе, так же, как разные типы кварков (с одинаковыми квантовыми числами) могут смешиваться вместе.
И, если сложить все это вместе, если у вас есть большое количество энергии в этих нейтрино, и эти нейтрино проходят через материю (например, внешние слои Солнца или самой земли), они действительно могут колебаться или менять тип с одного на другой.
Эта картина была подтверждена в 1990-х и 2000-х годах, когда мы начали проводить эксперименты, чувствительные не только к электронным нейтрино, но и к мюонным и тау-нейтрино, в которые они могли колебаться. Мы получили дальнейшее подтверждение, когда выполнили эти измерения не только на солнечных нейтрино, но и на атмосферных нейтрино, генерируемых воздействием космических лучей высокой энергии. Когда все данные были объединены, появилась единственная картина: нейтрино имеют ненулевую массу, но массы чрезвычайно малы; потребовалось бы более 4 миллионов самых тяжелых частиц нейтрино, чтобы сложить следующую легчайшую частицу Стандартной Модели: электрон.
Если нейтрино имеют массу, то некоторые свойства, которыми они обладают, принципиально меняются. Например, каждое нейтрино, которое мы когда-либо наблюдали, изначально леворуко: если вы указываете большим пальцем левой руки в направлении, в котором оно движется, его спин (или угловой момент) всегда ориентирован в направлении, в котором пальцы левой руки обхватывают ваш большой палец. Точно так же антинейтрино всегда правши: направьте большой палец правой руки в направлении их движения, и их вращение следует за пальцами правой руки.
Левосторонняя поляризация присуща 50% фотонов, а правосторонняя-остальным 50%. Всякий раз, когда создаются две частицы (или пара частица-античастица), их спины (или внутренние угловые моменты, если вы предпочитаете) всегда суммируются так, что общий угловой момент системы сохраняется. Нет никаких ускорений или манипуляций, которые можно было бы выполнить, чтобы изменить поляризацию безмассовой частицы, такой как фотон.
E-KARIMI / WIKIMEDIA COMMONS
Теперь вот в чем дело. Если бы нейтрино не было массивным, они бы всегда двигались со скоростью света, и вы бы никогда не смогли двигаться быстрее одного. Но если они массивные, они движутся со скоростью ниже скорости света, а это значит, что можно увеличить скорость, чтобы двигаться быстрее нейтрино, и в то же время двигаться медленнее света.
Представьте себе, что вы приближаетесь к нейтрино, смотрите, как он движется впереди вас, и видите, как он вращается в левом направлении против часовой стрелки с вашей точки зрения. Теперь вы ускоряетесь, проходите нейтрино и оглядываетесь на него впереди.
Что вы видите?
Вы видите, что теперь он удаляется от вас, и кажется, что он вращается по часовой стрелке, а не против часовой стрелки. Просто изменив свое относительное движение относительно нейтрино, вы, по-видимому, превратили его из нейтрино в антинейтрино. Почему? Направьте большие пальцы от себя и посмотрите: только если вы используете правую руку, вы получаете вращение по часовой стрелке от чего-то, направленного от вас.
Возможно ли это? Может ли такая частица, как нейтрино, на самом деле быть своей собственной античастицей?
Не в соответствии с обычной старой Стандартной моделью. Нет, если нейтрино не имеют массы. Но если вы выходите за рамки Стандартной модели и позволяете нейтрино иметь массу — что вы должны сделать, чтобы соответствовать тому, что мы наблюдали, — это не только разрешено, но и возможно, что это может быть лучшим возможным объяснением.
Фермионы, как правило, не должны быть их собственными античастицами в соответствии с обычной стандартной моделью. Фермион - это любая частица со спином ± ½ (или полуцелым спином в единицах постоянной Планка), и включает в себя все кварки и лептоны, то есть нейтрино. Но есть особый тип фермиона, который пока существует только в теории: майорановский фермион , который является его собственной античастицей. Если это правда, может произойти совершенно особая реакция: безнейтринный двойной бета-распад .
Когда ядро испытывает двойной распад нейтрона, два электрона и два нейтрино испускаются условно. Если нейтрино подчиняются этому механизму видения и являются майорановскими частицами, то возможен безнейтринный двойной бета-распад. LUDWIG NIEDERMEIER, UNIVERSITAT TUBINGEN / GERDA
В настоящее время ученые проводят эксперименты по поиску этого редкого типа распада, который требует, чтобы нейтрино были их собственной античастицей. При однократном бета-распаде нейтрон превращается в протон, электрон и антиэлектронное нейтрино. Вы также можете иметь - хотя это очень редко - двойной бета-распад, когда два нейтрона превращаются в два протона, два электрона и два антиэлектронных нейтрино. В случае нормального двойного бета-распада, вы можете сказать, что нейтрино создаются из-за «недостающей энергии» и «недостающего импульса».
Но, по крайней мере, в теории, существует безнейтринная форма, когда антиэлектронное нейтрино, испускаемое одним нейтроном, поглощается другим нейтроном, который видит его как обычное электронное нейтрино: свою собственную античастицу. В этой второй реакции нейтрон и электронное нейтрино взаимодействуют и испускают Протон и электрон. Вместо двух нейтрино он будет производить ноль, но все равно будет двойным бета-распадом.
Однозначно, нейтрино не могут быть безмассовыми частицами, какими они изначально были предположены. Они явно колеблются от одного вида к другому, что возможно только при наличии массы. Основываясь на наших текущих лучших ограничениях, мы теперь знаем, что небольшая, но ненулевая доля темной материи должна состоять из нейтрино : около 0,5% до 1,5%. Это примерно столько же массы, сколько и всех звезд во Вселенной вместе взятых.
И все же, мы до сих пор не знаем, являются ли они их собственными античастицами. Мы не знаем, получают ли они свою массу от очень слабого соединения с Хиггсом, или они достигают ее с помощью другого механизма. И мы не знаем, действительно ли сектор нейтрино не сложнее, чем мы думаем, с остающимися стерильными или тяжелыми нейтрино. В то время как наши коллайдеры стремятся вывести нас на все более высокие мощности, единственная добросовестная трещина в Стандартной модели исходит от самых легких массивных частиц: призрачного, неуловимого нейтрино.