Нейтрино называют частицами-призраками, потому что они крайне слабо взаимодействуют с веществом. Трудно представить, но каждую секунду через тело человека проходят 500 триллионов нейтрино, но никто этого не замечает. И несмотря на огромный прогресс в науке за последние десятилетия, сегодня мы находимся лишь в самом начале исследования физических свойств этих частиц. Между тем результаты, которые могут быть получены в ходе экспериментов с нейтрино, приведут к появлению новой физики и более глубокому пониманию Вселенной.
Особенная частица
Какие же проблемы может решить нейтринная физика? Прежде всего вопросы несимметричности соотношения вещества и антивещества, наличия или отсутствия массы у нейтрино, существования осцилляций их видов, пространственной многомерности нашего мира. И это далеко не весь список.
Вольфганг Паули открыл нейтрино в 1930 году, правда нарёк он эту частицу нейтроном. Таким образом, некоторое время такое название имели две разных элементарных частицы. И только через 4 года, чтобы предотвратить путаницу, Энрико Ферми ввёл термин «нейтрино», что в переводе с итальянского означает «нейтрончик». Паули предположил существование маленькой нейтральной частицы, которая крайне слабо взаимодействует с веществом, и поэтому не фиксировалась приборами. Спустя почти 40 лет эта блестящая догадка нашла своё подтверждение.
Проблема заключается в том, что в момент Большого взрыва вещество и антивещество должны были возникнуть в одинаковых пропорциях. В результате они проаннигилировали, и ничего бы не осталось. Однако во Вселенной наблюдается исключительно вещество, а антивещества нет. Его можно получить только искусственно в ходе определённых физических взаимодействий. Тем не менее каждая частица имеет свою античастицу. Частица, обладающая отрицательным зарядом, например, электрон имеет свою пару — позитрон, который характеризуется положительным зарядом. Нейтральные частицы отличаются спином, своего рода моментом вращения влево или вправо. Нейтрино же обладает левым спином и не имеет соответствующей античастицы. Изучение этого феномена может послужить ключом к пониманию дисбаланса между веществом и антивеществом.
Ненайденная масса
Большая загадка заключалась в том, какой массой обладают нейтрино. Вначале считалось, что они безмассовые, но теперь учёные полагают, что у них должна быть ненулевая масса. В немецком исследовании, направленном на измерение массы этой частицы, учёные пришли к выводу, что нейтрино может иметь маленькую массу. Это привело бы к наличию «тахионного» нейтрино, которое могло бы двигаться быстрее скорости света и потенциально назад во времени в зависимости от системы отсчёта. Как только будет определён порядок масс нейтрино, удастся решить более широкий круг физических вопросов о том, как нейтрино приобретают свою массу. Большинство обычных частиц получают массу при взаимодействии с полем Хиггса, но механизм Хиггса работает, как с правосторонними, так и с левосторонними частицами. Если нейтрино обретало массу от взаимодействия с полем Хиггса, то существовали бы и правосторонние нейтрино, но такие никогда не наблюдаются. Следовательно, должен быть другой механизм получения массы, либо они нереальны, то есть известным нам способом они не взаимодействуют, что по мнению физиков маловероятно.
Одна из идей заключается в том, что нейтрино могут быть майорановскими частицами, которые сами по себе являются античастицами. Такие частицы могут приобретать массу при взаимодействия не с полем Хиггса, а с каким-то другим полем. Математика, описывающая этот процесс, требует набора нейтрино огромной массы. Такие частицы будут иметь массу в триллион раз бо́льшую, чем самые тяжёлые частицы и в какой то мере уравновешивать массу лёгких частиц. Отсюда возникают теоретические вопросы о связи тёмной материи с майорановской массой.
Изменения идентичности
Проблема осцилляций заключается в том, что нейтрино может менять свою идентичность. Как известно, существует три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Отличаются они тем, что при взаимодействии с атомами производят разные частицы: электронные нейтрино создают электроны, мюонные нейтрино производят мюоны, а тау-нейтрино порождают тау-частицы. При этом между ними возможны трансформации друг в друга, что и получило название осцилляций. Так, мюонное нейтрино при своём движении может превратиться в электронное или тау-нейтрино. Когда в 1960-х годах физики начали изучать нейтрино, вылетающие из Солнца, они зарегистрировали лишь треть от предсказанных теорией, описывающей термоядерные процессы, протекающие в звёздах. Осцилляции объяснили этот парадокс. На пути к Земле электронные нейтрино превращались в мюонные и тау-нейтрино, а детекторы были настроены на регистрацию только электронных нейтрино. И всё же, наличие осцилляций, изучавшихся в разных экспериментах, не дают единой картины. В связи с чем физики выдвинули идею о существовании более трёх типов нейтрино. Эти дополнительные типы в отличие от известных аналогов не будут взаимодействовать с веществом через слабое ядерное взаимодействие и поэтому получили название стерильных нейтрино. Стерильные нейтрино не присутствуют в Стандартной модели — общепринятой теории элементарных частиц. Их открытие заставит физиков существенно пересмотреть устоявшиеся воззрения на природу материи.
Исследование осцилляций нейтрино, возможно, позволит подтвердить идею многомерности пространства. Так, согласно концепции суперструн, пространство нашей Вселенной имеет более трёх измерений. В частности, по крайней мере, оно должно содержать девять измерений. Причём три, нам известных, расширились в момент Большого взрыва, а шесть находятся в свёрнутом состоянии на уровне планковских размеров порядка 10 в минус 35 метра. Однако, согласно теории больших дополнительных измерений, разработанной в 1998 году Аркани-Хамедом, Димополусом и Двали, эти измерения могут находиться на масштабах порядка микрометра (одной миллионной доли метра). Скрытые измерения позволили бы решить многие проблемы физики, например, почему гравитация самый слабый из всех видов физических взаимодействий и способствовать пониманию единой природы физических взаимодействий.
На пути к новым измерениям
Возникает вопрос, возможно ли в настоящее время экспериментально проверить гипотезы относительно нейтрино. И такая возможность появляется в связи с готовящимся экспериментом DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), международным проектом, в котором участвует более 1100 учёных из 31 страны под руководством Национальной лаборатории имени Энрико Ферми (Фермилаб), расположенной в г. Батавия, Иллинойс, США. В этой лаборатории сгенерируют пучок нейтрино, который будет направлен через 1300 км горных пород к детектору частиц, состоящему из 70 000 тонн жидкого аргона, находящегося в Стэнфордской лаборатории в Южной Дакоте.
Цель проекта DUNE сводится к измерению неизвестных параметров нейтринных осцилляций, что включает в себя определение масс нейтрино. DUNE будет исследовать способность нейтрино менять свои состояния, а также стремиться определить, как разные массы нейтрино соотносятся друг с другом. Теория рассматривает два варианта состояний. Первый из них предполагает, что две частицы должны быть лёгкими, а одна тяжёлой. Второй, что две массы тяжёлые, а одна лёгкая. DUNE должен различить эти состояния, хотя на это потребуется несколько лет. Как только физики узнают порядок масс нейтрино, они определят, каким образом нейтрино получают свою массу. Особый вопрос о наличии майорановских нейтрино, и хотя DUNE не сможет на него ответить, измеряя иерархию масс, это поможет интерпретировать результаты экспериментов, проводящимися другими учёными. В проекте DUNE планируется определить существуют ли другие типы нейтрино, кроме известных, а также решить вопрос о существовании стерильных нейтрино.
Одной из перспектив этого проекта является определение дополнительного измерения, которое способно приводить к появлению нейтрино крайне малой массы, что, возможно, и влияет на характер осцилляций. При этом радиус дополнительного измерения должен составлять меньше 2 микрометров. Длина базовой линии DUNE 1300 км, и по мнению физиков, вероятность воздействия дополнительного измерения на характер осцилляций должна увеличиваться с ростом энергии пучка. До сих пор идея многомерности пространства оставалась лишь абстракцией теоретиков, и вот теперь появляется возможность экспериментально осуществить её проверку. Физика выходит на новый рубеж своего развития. Результаты проекта DUNE, вероятно, приведут к новой научной революции.
Платформа Дзен по определённым причинам меняет алгоритмы показов. Если вы уверены, что подписаны на канал рекомендуется проверить это в связи с возможной автоматической отпиской.
Также материалы по теме «Космос и Мультивселенная»: