Оказывается, самые призрачные частицы во Вселенной — нейтрино — не такие уж бестелесные. Недавнее исследование, опубликованное в журнале Nature, установило, что пространственный размер нейтрино как минимум в тысячу раз превышает размер атомного ядра, что может перевернуть наше понимание физики элементарных частиц и поставить под вопрос некоторые аспекты Стандартной модели.
Призраки микромира
Нейтрино всегда были своего рода физическими призраками. Эти субатомные частицы настолько малы и так слабо взаимодействуют с материей, что могут пролетать через световые годы свинца, не задев ни одного атома. Только представьте: через ваше тело ежесекундно пролетают триллионы нейтрино, испущенных Солнцем и другими космическими источниками, а вы даже не чешетесь!
Стандартная модель физики элементарных частиц — наша лучшая теоретическая модель микромира — долгое время предполагала, что нейтрино вообще не имеют массы. Однако в 2015 году Нобелевская премия по физике была присуждена за открытие нейтринных осцилляций — явления, доказывающего, что эти частицы всё-таки обладают массой, пусть и крошечной.
Но что насчёт их размера? Тут физика становится по-настоящему странной. В квантовом мире частицы не имеют чётко определённого положения — они описываются волновой функцией, которая определяет вероятность обнаружить частицу в определённой точке пространства. Размер «волнового пакета» нейтрино до сих пор оставался почти неизмеримой величиной.
Ловушка для неуловимого
Как же измерить то, что практически не взаимодействует ни с чем? Команда учёных проекта BeEST (Beryllium Electron capture in Superconducting Tunnel junctions) нашла остроумное решение. Вместо того чтобы пытаться напрямую поймать нейтрино, они использовали принцип квантовой запутанности.
В их эксперименте радиоактивный изотоп бериллия-7 вживлялся в сверхпроводящий туннельный переход — сверхчувствительный датчик, работающий при температуре около 0,1 Кельвина (это почти что абсолютный ноль — холоднее, чем в открытом космосе!).
Когда атом бериллия-7 распадается, происходит так называемый электронный захват: протон в ядре поглощает электрон из внутренней оболочки атома и превращается в нейтрон, испуская электронное нейтрино. При этом образуется ядро лития-7, которое получает отдачу в противоположном от нейтрино направлении.
Фишка в том, что по законам квантовой механики, литий-7 и нейтрино оказываются запутанными частицами. Это означает, что измерив характеристики отдачи лития-7, можно узнать кое-что и о нейтрино, даже не взаимодействуя с ним напрямую. Как будто вы определяете форму невидимого объекта по отпечатку, который он оставил в песке.
Призрак обретает форму
Измерив энергетический спектр отдачи ядер лития-7 с беспрецедентной точностью, учёные смогли определить нижнюю границу пространственной неопределённости положения нейтрино — не менее 6,2 пикометра. Это более чем в тысячу раз превышает размер самого ядра атома!
Чтобы понять, насколько это неожиданно, представьте, что вы годами считали, что тень от дерева не может быть больше самого дерева, а потом обнаружили, что при определённом освещении тень в тысячу раз больше! Это переворачивает наше интуитивное понимание физического мира.
"Мы установили нижнюю границу пространственной ширины волнового пакета нейтрино. Эти результаты могут иметь последствия в нескольких областях, включая теоретическое понимание свойств нейтрино, природу локализации в слабых ядерных распадах и интерпретацию данных физики нейтрино", — пишут авторы исследования.
До этого открытия теоретики спорили о размере волнового пакета нейтрино, предлагая оценки, различающиеся на 13 порядков величины — от субатомных масштабов до размеров, сравнимых с человеческим ростом! Теперь эта неопределённость существенно сократилась.
Подрыв основ физики?
Какие последствия имеет это открытие для современной физики? Потенциально — огромные. Во-первых, оно может прояснить некоторые аномалии в экспериментах с нейтрино, которые не вписываются в Стандартную модель.
В последние годы несколько экспериментов, включая Daya Bay в Китае и RENO в Южной Корее, обнаружили странные эффекты в поведении нейтрино от ядерных реакторов. Некоторые физики предположили, что эти аномалии могут объясняться существованием гипотетического стерильного нейтрино — частицы, которая вообще не взаимодействует ни с чем, кроме гравитации и других нейтрино.
Однако результаты BeEST указывают на другое объяснение. Если волновые пакеты нейтрино имеют значительный пространственный размер, то это влияет на их квантовую когерентность — способность сохранять волновую природу на больших расстояниях. А это, в свою очередь, может объяснить наблюдаемые аномалии без введения новых частиц.
Но есть и другой, более радикальный аспект. Результаты эксперимента ставят вопрос о том, на каком масштабе происходит квантовая локализация при слабых ядерных взаимодействиях. Традиционно считалось, что этот масштаб определяется размерами атомного ядра, но новые данные намекают, что всё гораздо сложнее.
Что дальше?
Авторы исследования не останавливаются на достигнутом. Они планируют совершенствовать свой метод, чтобы получить ещё более точные данные о пространственной структуре нейтрино.
Одно из перспективных направлений — адаптация этой техники для изучения нейтрино от бета-распада, что позволит сравнить свойства нейтрино из разных источников и проверить, соответствуют ли они предсказаниям Стандартной модели.
Кроме того, команда работает над уменьшением эффектов уширения спектральных линий, связанных с несовершенствами кристаллической решётки материала детектора. Это позволит установить ещё более жёсткие ограничения на размер волнового пакета нейтрино.
А в перспективе, если удастся различить конкурирующие модели локализации при слабых ядерных взаимодействиях, это может стать фундаментальной проверкой квантовой механики и потенциально привести к революционному прорыву в нашем понимании микромира.
Больше, чем кажется
Открытие учёных из эксперимента BeEST в очередной раз напоминает нам, что мир элементарных частиц полон сюрпризов. То, что казалось точечным и бесструктурным, оказывается протяжённым и сложным. То, что считалось неизмеримым, можно измерить с помощью остроумных экспериментальных подходов.
Нейтрино — эти странные "призрачные" частицы — продолжают удивлять физиков и после почти столетия исследований. И, возможно, именно они укажут путь к новой физике, выходящей за рамки Стандартной модели.
Как метко выразился один из физиков, "нейтрино — это не то, чем они кажутся". И это, пожалуй, лучшее описание текущего состояния дел в физике элементарных частиц: чем больше мы узнаём, тем яснее понимаем, как мало мы знаем. Что ж, вперёд, к новым открытиям!