Те, кто следят за новостями физики, наверняка знают, что после открытия бозона Хиггса главной задачей работы Большого адронного коллайдера является поиск так называемой Новой физики — неизвестных законов, которые помогли бы объяснить такие фундаментальные проблемы современной физики как иерархия масс, барионная асимметрия, природа тёмной материи и т. д. К сожалению, пока никаких существенных отклонений от Стандартной модели учёные не видят, и в сообществе начинает нарастать пессимизм: энергии частиц на самой большой экспериментальной установке современности для наблюдения эффектов за пределами Стандартной модели не хватит.
В связи с этим несколько оптимистичнее выглядят перспективы экспериментов с нейтрино. И на то есть как минимум шесть серьёзных причин.
Нейтрино уже нарушают Стандартную модель
Конечно, мы знаем, что существуют тёмная материя и тёмная энергия, которые никак в Стандартной модели не фигурируют, и природа которых неясна. Но нейтрино — это частица, включённая в Стандартную модель, и при этом не описываемая ею в полной мере. Нобелевская премия прошлого года, напомню, была вручена как раз за это — за доказательство того факта, что нейтрино самопроизвольно может менять свой «аромат», превращаясь из, скажем, электронного в мюонное. Это называется нейтринными осцилляциями, и строго говоря, всё, что мы узнаём об этом явлении — уже Новая физика.
Нейтринные осцилляции только-только начинают по-хорошему изучать
Каждый из ароматов нейтрино, на самом деле, это квантовая суперпозиция трёх состояний с различной массой. Их взаимосвязь описывается так называемыми углами смешивания, и их значения постоянно уточняются в ходе всё более точных экспериментов. Например, только недавно было установлено, что один из этих углов — θ₁₃ — совсем не так мал, как думали раньше.
Нейтрино, возможно, нарушают CP-инвариантность
Нарушающими CP-инвариантность в физике элементарных частиц называются процессы, в которых частицы ведут себя не так, как соответствующие им античастицы. Давно известны такие процессы для некоторых частиц, состоящих из кварков, — например, каонов или B-мезонов. Но только недавно появились данные, что CP-инвариантность может нарушаться и в нейтринных экспериментах.
Эти намёки подтвердились и свежими результатами с установки T2K. На ней детектор облучали потоками мюонных нейтрино и антинейтрино, и ожидали, что будут зарегистрированы 23 электронных нейтрино и 7 антинейтрино, но обнаружили 32 электронных нейтрино и только 4 антинейтрино. Этого пока недостаточно для того, чтобы сделать определённый вывод, но с набором статистики нарушение CP-инвариантности пока только нарастает.
Нейтрино может оказаться первым известным майорановским фермионом
Майорановским называется фермион, который совпадает со своей античастицей. Такой фермион должен быть абсолютно нейтральным, а нейтрино — единственный из известных фермионов, который не имеет заряда (остальные — электроны, позитроны, мюоны, кварки и др. — имеют). Вопрос о том, является ли нейтрино майорановским фермионом важен в том числе для понимания того, как он приобретает массу.
Чтобы определить, является ли нейтрино идентичным антинейтрино, учёные пытаются задетектировать так называемый безнейтринный двойной бета-распад. При обычном двойном бета-распаде два нейтрона превращаются в протоны и испускают пару электронов (которые называют бета-лучами — отсюда и название распада) и пару антинейтрино. Если нейтрино и антинейтрино — это одна и та же частица, то эти два антинейтрино могут аннигилировать, и распад произойдёт без их испускания. Пока что учёным обнаружить такие распады не удалось, но наблюдения идут полным ходом.
Возможно, мы скоро откроем ещё один тип нейтрино
Теоретики давно говорят о возможности существования четвёртого типа нейтрино — так называемого стерильного нейтрино. Если его всё же откроют, то это событие, несомненно, заставит на время забыть даже о Большом адронном коллайдере. Существование стерильного нейтрино позволило бы объяснить одновременно и феномен тёмной материи, и отсутствие вокруг нас антиматерии. К сожалению, пока все попытки задетектировать эту частицу дали отрицательные результаты, но ещё остаются надежды, что его обнаружат, например, при помощи IceCube.
Сразу несколько мощных нейтринных лабораторий приступают к работе
В 2014 году в Фермилабе начал работу эксперимент NOνA. В 2025 году ожидается запуск эксперимента Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Приблизительно в то же время должен начать работу японский Hyper-Kamiokande, рабочим телом которого станет бак, заполненный миллионом тонн воды. Наконец, в Европе ищут денег на 5-миллиардный EUROnu.
Возможно, ни одна из этих возможностей не «выстрелит», и нейтринной физике придётся ждать многие годы своих больших открытий, но почему бы и не присмотреться к этой теме повнимательнее уже сейчас?