Эта невидимая частица годами мельтешит на границе науки — то исчезает, то вновь появляется, словно играет с учеными. Некоторые уверены, что она существует, другие считают, что это иллюзия. Но вдруг оказывается, именно она может раскрыть величайшую загадку Вселенной. Что, если все это время мы упускали ключ к новой физике?
Понимание нашего мира на самом глубинном уровне строится на Стандартной модели физики элементарных частиц. Эта теория описывает кирпичики мироздания и силы, которые ими управляют. Среди этих кирпичиков особое место занимают нейтрино — крошечные, почти невесомые частицы, лишенные электрического заряда. Они настолько слабо взаимодействуют с веществом, что триллионы пролетают сквозь наше тело каждую секунду, не оставляя следа. Первое предположение об их существовании высказал Вольфганг Паули еще в 1930 году, пытаясь объяснить загадку бета-распада атомных ядер: энергия продуктов распада не сходилась, словно часть уносила невидимая частица. Эту «невидимку» назвали нейтрино, и лишь в 1956 году ее удалось обнаружить экспериментально.
Дальнейшие исследования открыли удивительное разнообразие: нейтрино существуют в трех типах, или «ароматах», тесно связанных с тремя заряженными частицами: электроном, мюоном и тау-лептоном. Электронное нейтрино, мюонное нейтрино, тау-нейтрино — эти трио казалось идеально вписывалось в Стандартную модель, где частицы группируются по трем поколениям. Однако природа приготовила сюрприз. В 1960-х годах физики, измеряющие поток нейтрино от Солнца (где они рождаются в термоядерных реакциях), столкнулись с шокирующим дефицитом. Детекторы на Земле ловили лишь 25 процентов ожидаемого количества электронных нейтрино. Куда девались остальные 75 процентов?
Разгадка пришла с революционной идеей: нейтрино обладают крошечной, но ненулевой массой. Эта масса позволяет им совершать удивительный трюк — осциллировать, то есть самопроизвольно превращаться из одного аромата в другой во время полета. Электронные нейтрино, рожденные в солнечном ядре, по пути к Земле успевали превратиться в мюонные или тау-нейтрино, которые ранние эксперименты просто не могли засечь. Открытие нейтринных осцилляций стало триумфом, но оно же пошатнуло Стандартную модель, которая изначально предполагала безмассовые нейтрино. Однако на этом странности не закончились.
Две особенно стойкие аномалии не дают физикам покоя уже несколько десятилетий. Первая всплыла в 1990-х годах в эксперименте LSND (Liquid Scintillator Neutrino Detector) в Лос-Аламосе, США. Ученые изучали пучок мюонных антинейтрино и с удивлением обнаружили больше электронных антинейтрино в детекторе, чем предсказывали расчеты.
Частицы словно превращались из одного типа в другой (мюонные антинейтрино в электронные антинейтрино) с неожиданно высокой вероятностью. Этот результат сам по себе мог бы быть ошибкой, но с 2002 по 2017 год эксперимент MiniBooNE в лаборатории Ферми (Fermilab), США, повторил измерения на другой установке и с другими энергиями нейтрино — и подтвердил аномалию! Появилось слишком много электронных нейтрино там, где их не должно было быть. Либо оба эксперимента страдали от скрытой систематической ошибки, либо физики столкнулись с чем-то совершенно новым.
Параллельно возникла вторая, казалось бы, противоположная проблема — дефицит нейтрино. Ядерные реакторы на Земле, как и Солнце, являются мощными источниками электронных антинейтрино. Тщательные измерения потока этих частиц от реакторов стабильно показывали: детекторы регистрируют примерно на 6 процентов меньше электронных антинейтрино, чем предсказывает Стандартная модель. Частицы словно исчезали по дороге.
Физики оказались в тупике. С одной стороны, эксперименты LSND и MiniBooNE фиксировали появление лишних электронных нейтрино. С другой стороны, реакторные эксперименты фиксировали исчезновение электронных антинейтрино. Стандартная модель с ее тремя нейтрино не могла непротиворечиво объяснить оба этих факта. Нужна была новая идея.
Идея пришла из прошлого. Еще в 1958 году итальянский физик Бруно Понтекорво предположил существование особого типа нейтрино. Эта частица, в отличие от своих «активных» собратьев (электронного, мюонного, тау-нейтрино), не участвует вообще ни в каких взаимодействиях, кроме гравитационного. Она не чувствует слабое ядерное взаимодействие (отвечающее за некоторые распады и нейтринные осцилляции в Стандартной модели), не участвует в электромагнитных или сильных взаимодействиях. Она совершенно «стерильна» — отсюда и название «стерильное нейтрино». Предсказание Понтекорво тогда не вызвало большого ажиотажа — обнаружить частицу, не взаимодействующую ни с чем, кроме гравитации, казалось фантастикой. Но на фоне аномалий 1990-х стерильное нейтрино получило второе рождение.
Теоретики предположили: что если существует четвертый аромат нейтрино — стерильный? И он может участвовать в осцилляциях с тремя известными ароматами. Эта гипотеза элегантно объясняла обе аномалии. Эксперименты LSND и MiniBooNE видели лишние электронные нейтрино? Это могло происходить потому, что мюонные нейтрино из пучка осциллировали не только в электронные, но и в стерильные нейтрино, а те, в свою очередь, могли распадаться (или осциллировать обратно) в электронные нейтрино, создавая избыток. Реакторные эксперименты видели недостаток электронных антинейтрино? Это легко объяснить: часть электронных антинейтрино успела превратиться в стерильные нейтрино, которые детектор просто не способен зарегистрировать. Гениально!
Потенциальная польза стерильного нейтрино простиралась далеко за рамки объяснения этих двух аномалий. Физики давно ломали голову над вопросом: почему массы трех известных нейтрино столь ничтожно малы? Они в миллионы раз легче следующей по легкости частицы — электрона. Механизм «качелей» (seesaw mechanism), связанный с тяжелым стерильным нейтрино, предлагал изящное решение: большая масса четвертого нейтрино могла бы «придавить» массы трех обычных, сделав их экстремально малыми, как легкий ребенок на качелях высоко поднимается, когда тяжелый опускается.
Более того, стерильные нейтрино с определенной массой стали серьезными кандидатами на роль таинственной темной материи, которая составляет 27 процентов массы-энергии Вселенной, но не испускает света и взаимодействует только гравитационно. Их стерильность идеально подходила для этого. Некоторые модели даже предполагали, что стерильные нейтрино могли сыграть ключевую роль в исчезновении антиматерии в ранней Вселенной. «Три главные загадки современной физики — происхождение масс нейтрино, природа темной материи и исчезновение антиматерии — могли бы найти объяснение в одной теории», — подчеркивает Олег Рухайский из Копенгагенского университета.
Однако, как всегда в истории нейтрино, путь оказался тернист. На каждое указание в пользу стерильного нейтрино нашлось свидетельство против. Самое мощное возражение пришло из космологии. Наблюдения за реликтовым излучением (эхом Большого взрыва) и крупномасштабной структурой Вселенной (распределением галактик) очень чувствительны к количеству легких частиц в ранней Вселенной. Если бы стерильные нейтрино с массой, необходимой для объяснения аномалий LSND/MiniBooNE, существовали с момента рождения Вселенной, они должны были заметно повлиять на картину космической эволюции. «Наша Вселенная выглядела бы иначе», — констатирует Рэймонд Волкас из Мельбурнского университета. Данные космических обсерваторий, таких как Planck, не видят признаков такого влияния, накладывая жесткие ограничения на возможные свойства стерильных нейтрино.
Ситуация с реакторной аномалией тоже осложнилась. Новое поколение экспериментов (DANSS в России, NEOS в Южной Корее, PROSPECT в США) разместило детекторы гораздо ближе к активной зоне реакторов. Это позволило точнее измерить поток электронных антинейтрино на коротких расстояниях и лучше понять возможные погрешности. Предварительные результаты этих экспериментов… показали, что загадочный дефицит в 6 процентов, возможно, исчезает! Статистическая значимость пока недостаточна для окончательного вердикта, но тренд тревожный для сторонников стерильного нейтрино.
Парадоксально, но именно в это время эксперимент MiniBooNE представил свои итоговые результаты в 2018 году (и более поздние уточнения). Они не только подтвердили старую аномалию, но и показали, что сигнал усилился по сравнению с более ранними данными! Некоторые исследователи восприняли это как серьезный аргумент в пользу реальности новой физики, возможно, стерильных нейтрино. Однако Волкас указывает на фундаментальную проблему: если стерильное нейтрино вызывает появление лишних электронных нейтрино (как видит MiniBooNE), оно обязано вызывать и исчезновение мюонных нейтрино. Но этого исчезновения никто не наблюдал. «Усиление аномалии MiniBooNE только усугубляет проблему, потому что более сильный сигнал появления требует и более сильного сигнала исчезновения, которого нет», — поясняет Волкас.
И здесь на сцену выходит эксперимент MINOS+ (также в Fermilab). Его задача как раз и заключалась в том, чтобы искать исчезновение мюонных нейтрино (и антинейтрино) на длинной базе. Детекторы фиксировали пучок мюонных нейтрино, отправленный сквозь земную толщу на расстояние в сотни километров. За годы работы (предшественник MINOS начал работу в 2005, MINOS+ завершил в 2016) эксперимент накопил огромный объем данных. Результат: мюонные нейтрино демонстрировали осцилляции, предсказанные Стандартной моделью (превращаясь в тау-нейтрино), но никаких признаков дополнительного исчезновения, которое должно было бы сопровождать существование стерильного нейтрино с параметрами, объясняющими аномалию MiniBooNE/LSND. Данные MINOS+ поставили под сомнение саму возможность существования такого стерильного нейтрино.
Казалось бы, гвозди в крышку гроба забиты. Но призрачная частица не сдается. Физик Билл Луис из Fermilab тщательно изучил анализ данных MINOS+. Он не ставит под сомнение качество самого эксперимента, но указывает на возможные недооцененные сложности в обработке сигналов и моделировании фоновых процессов. «Коллаборация MINOS+ очень усердно работала над анализом данных, — признает Луис, — но я считаю, некоторые погрешности могли быть упущены». Это, по его мнению, могло привести к излишне уверенному исключению сценария с исчезновением мюонных нейтрино. Джанет Конрад (MIT) поддерживает эту критику, отмечая, что финальная статья MINOS+ с последними результатами задерживается с публикацией с октября прошлого года, отчасти из-за обсуждения поднятых вопросов. «Билл затронул лишь половину очевидных проблем», — добавляет она. Представитель коллаборации MINOS/MINOS+ Кароль Ланг подтверждает, что команда взаимодействует с критиками, перепроверяя анализ, чтобы дать максимально четкую интерпретацию данных и накладываемых ими ограничений.
Если же в конце концов и аномалия MiniBooNE, и отсутствие исчезновения в MINOS+ подтвердятся как достоверные, то простой сценарий с одним стерильным нейтрино окажется несостоятельным. Физикам придется искать более сложные объяснения. Возможно, потребуется ввести новую, неизвестную силу природы, которая избирательно влияла бы на разные ароматы нейтрино. Или же, как предполагает Джанет Конрад, ответ лежит не в новой физике, а в более глубоком понимании старой доброй ядерной физики. «Причина может быть в ядерных эффектах — мы действительно не так хорошо их понимаем», — говорит она.
Когда нейтрино низких энергий (как в MiniBooNE) пролетают сквозь вещество детектора, они взаимодействуют с атомными ядрами. Мы предполагаем, что взаимодействуют они преимущественно с одиночными нейтронами. Но некоторые нейтрино могут сталкиваться со связанными парами протон-нейтрон, что меняет их регистрируемую энергию. Неполное понимание этих процессов в ядерных моделях может искажать анализ данных, создавая ложное впечатление аномальных осцилляций.
«Наши расчеты могут показывать осцилляции там, где их нет», — заключает Конрад. Но тут же она делает важную оговорку: те же самые неучтенные ядерные эффекты могут, наоборот, маскировать реальный сигнал стерильного нейтрино, делая его слабее, чем он есть на самом деле. Это оставляет призраку шанс на спасение.
Post Scriptum
Охота на стерильное нейтрино вступила в решающую фазу. Пока теоретики разрабатывают все более изощренные модели (от одного стерильного нейтрино до целых «секреторных» секторов новых частиц), экспериментаторы наращивают усилия по всему миру. Новые проекты и модернизированные установки — от детекторов на реакторах в России (например, продолжение DANSS) и Европе до мощных ускорительных экспериментов в США (MicroBooNE, SBN программа в Fermilab) и Японии (J-PARC), и даже гигантских телескопов в антарктическом льду (IceCube) — нацелены на беспрецедентно точные измерения нейтринных осцилляций. Их задача: окончательно подтвердить или опровергнуть аномалии LSND/MiniBooNE, измерить возможное исчезновение мюонных нейтрино с недостижимой ранее точностью и нащупать любые отклонения от Стандартной модели.
Следующие несколько лет станут критическими. Рэймонд Волкас уверен, что текущие и начинающиеся эксперименты способны дать окончательный ответ на вопрос о существовании стерильного нейтрино в том виде, который объяснял бы ключевые аномалии. Будет ли это ответом «нет», закрывающим одну из самых долгих глав в физике частиц? Или же упорный призрак, переживший десятки лет скепсиса и опровержений, наконец материализуется в данных, открывая дверь в новую физику и давая ключи к величайшим космологическим загадкам? Охотники за привидениями из мира науки не сдаются. Финал этой полувековой саги еще не написан.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram. Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы.