Стандартная модель физики — это священная корова современной науки, которую уже полвека никто не решается отправить на бойню, хотя она давно хромает на все четыре ноги и отказывается объяснять три четверти Вселенной.
Физики обожают рассказывать широкой публике, как прекрасно они понимают устройство мироздания. Бозон Хиггса найден, кварки посчитаны, взаимодействия описаны — казалось бы, можно расслабиться и почивать на лаврах. Но есть одна крошечная проблема размером с целую Вселенную: нейтрино — эти призрачные частицы, которые пронизывают каждый квадратный сантиметр вашего тела триллионами в секунду, — ведут себя так, словно им глубоко плевать на все наши теории.
И вот что действительно тревожит умы в крупнейших лабораториях мира: последние эксперименты указывают на существование стерильных нейтрино или, что ещё хуже, на какую-то совершенно новую физику, о которой мы не имеем ни малейшего представления. Добро пожаловать в кроличью нору, где частицы превращаются друг в друга, масса берётся из ниоткуда, а весь наш научный аппарат трещит по швам.
Нейтрино — самые наглые частицы во Вселенной
Вольфганг Паули, предложивший существование нейтрино в 1930 году, назвал это «отчаянным средством» для спасения закона сохранения энергии. Он был настолько уверен в невозможности обнаружить эту частицу, что поставил ящик шампанского против любого, кто попытается. Спойлер: шампанское пришлось отдать через 26 лет.
Нейтрино — это, по сути, маленькие хулиганы микромира. Они не несут электрического заряда, почти не имеют массы (хотя, как выяснилось, всё-таки имеют — и это уже скандал) и взаимодействуют с остальной материей настолько слабо, что для гарантированной остановки одного нейтрино потребовалась бы свинцовая стена толщиной в световой год. Каждую секунду через ваш ноготь большого пальца пролетает около ста миллиардов солнечных нейтрино — и ни одно из них не соизволит даже поздороваться с вашими атомами.
Изначально физики полагали, что эти частицы абсолютно безмассовые — так было удобнее для математики. Стандартная модель выстроилась вокруг этого предположения, как город вокруг кривой центральной улицы. И всё бы ничего, но в конце XX века выяснилась пренеприятнейшая вещь: нейтрино обладают массой. Откуда она берётся — до сих пор загадка, которую стыдливо замалчивают в учебниках.
Но подождите, это ещё цветочки. Настоящий скандал начался, когда физики обнаружили, что нейтрино умеют превращаться друг в друга прямо на лету, словно некий квантовый оборотень.
Космический танец превращений
Представьте, что вы отправили красный мяч через тёмный туннель, а на выходе поймали синий. Потом отправили синий — получили зелёный. Нет, мячи не подменили — они действительно превратились по дороге. Именно это происходит с нейтрино, и называется это явление нейтринными осцилляциями.
Существует три «аромата» нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Каждый аромат связан со своим заряженным лептоном — электроном, мюоном и тау-частицей соответственно. Когда нейтрино рождается в ядерной реакции, оно имеет определённый аромат. Но пока летит через пространство, оно находится в суперпозиции массовых состояний — и вот тут начинается квантовая магия.
Дело в том, что ароматовые состояния нейтрино — это не то же самое, что массовые состояния. Каждое ароматовое нейтрино представляет собой смесь трёх массовых компонентов с разными массами. Эти компоненты распространяются с чуть-чуть разными фазовыми скоростями, из-за чего их интерференционная картина меняется по мере полёта. В результате электронное нейтрино может стать мюонным, мюонное — тау, и так далее в бесконечном квантовом танце.
Математически это описывается матрицей Понтекорво — Маки — Накагавы — Сакаты (сокращённо PMNS), которая содержит углы смешивания и комплексную фазу, связанную с нарушением CP-симметрии. Эксперименты последних двадцати лет измерили большинство этих параметров с впечатляющей точностью. Super-Kamiokande в Японии, SNO в Канаде, Daya Bay в Китае — целые подземные соборы были построены, чтобы ловить эти неуловимые частицы.
И вот здесь начинается самое интересное: некоторые эксперименты показывают результаты, которые категорически не вписываются в трёхароматную модель.
Аномалии, от которых у теоретиков дёргается глаз
В начале 2000-х эксперимент LSND в Лос-Аламосе сообщил о странном избытке электронных антинейтрино в пучке мюонных антинейтрино. Параметры этого превращения никак не согласовывались с известными осцилляциями. Научное сообщество дружно пожало плечами: наверное, систематическая ошибка.
Но затем MiniBooNE — эксперимент, специально построенный для проверки LSND — подтвердил аномалию. Более того, он обнаружил избыток событий и в нейтринном, и в антинейтринном режимах. Физики начали нервничать.
Параллельно всплыла так называемая реакторная аномалия: детекторы вблизи ядерных реакторов регистрируют на 6% меньше электронных антинейтрино, чем предсказывает теория. Это может означать, что часть нейтрино по пути исчезает куда-то — буквально испаряется в неизвестность.
А ещё есть галлиевая аномалия: эксперименты SAGE и GALLEX, использующие интенсивные радиоактивные источники, тоже недосчитались нейтрино. Дефицит составляет около 20-24% — это не спишешь на статистическую флуктуацию.
Три независимых типа экспериментов, три похожих аномалии, и все они указывают примерно на одно и то же: существует какой-то дополнительный канал осцилляций, которого не должно быть в стандартной трёхароматной картине. Либо, простите за выражение, мы вообще не понимаем, что происходит.
Невидимки среди невидимок
Одно из объяснений, которое физики-теоретики вытащили из рукава — это стерильные нейтрино. Звучит как название рок-группы из 80-х, но на самом деле это гипотетические частицы, которые делают обычные нейтрино просто образцом общительности.
Если обычные нейтрино взаимодействуют только посредством слабой силы и гравитации, то стерильные не взаимодействуют вообще никак — только через гравитацию и через смешивание с обычными нейтрино. Они не участвуют ни в слабом, ни в электромагнитном, ни в сильном взаимодействии. Это делает их практически необнаружимыми напрямую.
Однако если стерильные нейтрино смешиваются с активными ароматами, они могут влиять на осцилляции. Обычное электронное нейтрино иногда будет «перетекать» в стерильное состояние и становиться полностью невидимым для детекторов. Это объяснило бы дефицит нейтрино в различных экспериментах.
Прелесть идеи в её многогранности. Тяжёлые стерильные нейтрино с массой в килоэлектронвольтном диапазоне могли бы объяснить тёмную материю — ту самую загадочную субстанцию, которая составляет 27% энергии Вселенной и о природе которой мы знаем примерно ничего. Лёгкие стерильные нейтрино могли бы объяснить аномалии в осцилляционных экспериментах. А очень тяжёлые — решить проблему барионной асимметрии через механизм лептогенезиса.
Но, как водится в физике, не всё так радужно. Недавний эксперимент MicroBooNE, оснащённый жидкоаргоновой технологией с беспрецедентным пространственным разрешением, не подтвердил избыток электронноподобных событий в той форме, которую предсказывала модель стерильных нейтрино. При этом эксперимент обнаружил другие аномалии, природа которых остаётся неясной.
Получается патовая ситуация: старые эксперименты кричат об аномалиях, новые не находят стерильных нейтрино в предсказанном виде, но обнаруживают что-то ещё более странное. Физики чешут затылки и пишут всё более экзотические теоретические статьи.
Когда Стандартная модель даёт трещину
Возможно, проблема не в стерильных нейтрино, а в самой Стандартной модели. Возможно, нам нужна принципиально новая физика — и нейтрино просто первыми об этом сигнализируют.
Некоторые теоретики предлагают модификации самих осцилляционных механизмов. Например, нейтрино могут взаимодействовать с неизвестным скалярным полем, которое изменяет их массы в зависимости от плотности окружающей материи сверх того, что предсказывает стандартный MSW-эффект. Другие предлагают нарушение лоренц-инвариантности — фундаментального принципа, лежащего в основе специальной теории относительности.
Есть модели с дополнительными пространственными измерениями, через которые нейтрино могут «срезать путь», появляясь в необъяснимых местах. Есть модели с квантовой декогеренцией, где нейтрино теряют фазовую информацию неклассическим образом. Есть даже модели с нестандартными нейтринными взаимодействиями — своего рода «пятая сила», действующая только на лептоны.
Каждая из этих идей элегантна по-своему и безобразна по-своему. Ни одна пока не получила убедительного экспериментального подтверждения, но и опровергнуть их до конца не удаётся.
А тем временем строятся новые эксперименты. DUNE — Deep Underground Neutrino Experiment — протянет нейтринный луч на 1300 километров от Фермилаба до Южной Дакоты. Hyper-Kamiokande в Японии будет в пять раз больше своего предшественника. JUNO в Китае погрузит 20 тысяч тонн жидкого сцинтиллятора под землю. Все они охотятся за одним и тем же: за доказательствами новой физики за пределами Стандартной модели.
И знаете что? Физики втайне надеются найти именно аномалии. Потому что аномалии — это не провал, это возможность. Это шанс открыть что-то действительно новое, переписать учебники, получить Нобелевскую премию. Стандартная модель — блестящее достижение XX века, но она не объясняет массу нейтрино, не включает гравитацию, не содержит тёмную материю и тёмную энергию. Она — временная заплатка на ткани реальности, а не окончательное полотно.
Нейтрино, эти маленькие призраки, пробирающиеся сквозь планеты и звёзды, возможно, несут нам послание из-за границ известной физики. Мы просто пока не научились его читать.
Парадокс в том, что чем точнее становятся наши измерения, тем больше вопросов возникает. Чем глубже мы копаем, тем яснее понимаем, как мало знаем на самом деле. Вселенная оказалась значительно страннее, чем нам хотелось бы думать, и нейтрино — её самые странные послы.
Так что в следующий раз, когда услышите, что физики «почти всё разгадали», вспомните о триллионах частиц-призраков, ежесекундно пролетающих сквозь вас. Они не подчиняются нашим законам, превращаются друг в друга по дороге, возможно, исчезают в стерильные состояния — и откровенно смеются над нашими попытками их понять. Может, пора признать, что Вселенная умнее нас, и это нормально. Это не конец науки — это её настоящее начало.