Спасибо, что вы с нами!

Модная частица

В Фермилаб сообщили о возможной регистрации стерильного нейтрино. Другие физики подозревают, что пока вместо нейтрино поймали только хайп

Недавно на сайте препринтов научных статей arXiv.org появилась работа физиков из национальной исследовательской лаборатории имени Энрико Ферми (США), в которой те заявляют о возможной регистрации стерильного нейтрино — гипотетического четвертого вида нейтрино, очень ожидаемого и обсуждаемого в мире физики. Корреспондент «Чердака» разбирается, чем станет эта работа — новой страницей в учебниках физики или еще одним эпизодом с беспроигрышной моралью о важности аккуратной проверки и объяснения научных данных.
Добавить в закладки
Комментарии
...

Исследования нейтрино — одна из глав эпоса о триумфальном прогрессе рациональной науки. Начинается все в 20-х годах прошлого века. Тогда люди еще знали только три элементарные частицы — протон, электрон и фотон, но между ними таилось обещание чего-то большего. Например, в реакциях радиоактивного бета-распада никак не хотел сходиться энергетический баланс: конечная энергия получающихся частиц всегда была меньше начальной и все выглядело так, будто недосдача уходила в офшор неизвестной и неуловимой частицы. Физики нарекли ее «нейтрино» и отправились на поиски.

Десятки лет экспериментов, и вот — неуловимая частица поймана. Она необычайно похожа на ориентировку теоретиков — крошечная частица без массы покоя, которая вступает только в слабое и гравитационное взаимодействие, а потому может пролететь миллионы километров сквозь толщу материи и не столкнуться ни с одним атомом.

Первое наблюдение взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере. Фото: Argonne National Laboratory

Дальше идут сплошные успехи. Стандартная модель — большая система, в которой все элементарные частицы раскладывают по полочкам и семействам, — предсказывала, что должно существовать три типа нейтрино: электронное, мюонное и таонное — всех их находят в экспериментах. Астрофизические расчеты показывали, что в результате ядерных реакций на Солнце большой кусок энергии должен улетать в космос в виде электронных нейтрино, и это тоже подтверждается наблюдениями. Теоретики предсказывают, что нейтрино могут при движении в пространстве превращаться друг в друга, или, как говорят, осциллировать, и это снова убедительно подтверждается данными экспериментов.

Но здесь наступает настоящее: дружные пары предсказаний и экспериментов (оставим в скобках, например, мучительные десятилетия экспериментов по поиску солнечных нейтрино с вечным расхождением баланса и всеми отягчающими для упорствующих ученых — насмешками коллег, урезанием бюджета и непременными мыслями о своей непроглядной бездарности) распадаются на парадоксы. В Стандартной модели нейтрино заложены безмассовыми, но они не могли бы превращаться друг в друга, если бы как раз не отличались по массе, а значит, неизбежно имеют массу — это первый парадокс. Второй парадокс более прозаический: в некоторых экспериментах опять не сходится баланс по нейтрино.

Часть физиков считает, что это верный знак существования четвертого типа нейтрино — стерильных. Они должны быть тяжелее своих собратьев и еще более неуловимы, поскольку вступают уже только в гравитационные взаимодействия, а получаться стерильные нейтрино могут только в результате превращений из других нейтрино. В этой точке мы сейчас находимся. Всем желающим снова есть что искать.

Но акценты поменялись

Эксперимент MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же Фермилаб) собирает данные уже почти 15 лет. 1 июня этого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино большой стальной бак с маслом и детектировали, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Классическая теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких временных масштабах 1977 подобных событий, но в танкере появилось на 461 электронных нейтрино больше, чем ожидалось. Это примерно одно «лишнее» нейтрино каждые двенадцать дней. Достаточно ли для того, чтобы прорубить окно в Новую физику?

Стальной шар диаметром 12 метров, с датчиками, залитыми сверхчистым маслом, который бомбардировали потоком мю-нейтрино в рамках эксперимента MiniBooNE. Фото: Reidar Hahn / Fermilab / Creative Service / U.S. Department of Energy

В принципе такое расхождение можно с вероятностью 20% объяснить случайными отклонениями от предсказания, но у исследователей из Фермилаб есть два дополнительных аргумента против скучной случайности: во-первых, в их прошлых данных за более короткое время наблюдалась точно такая же аномалия, а во-вторых, их новые результаты неплохо пересекаются с данными экспериментов 90-х годов на установке LSND в Лос-Аламосе, после которых впервые заговорили о возможности существования стерильных нейтрино. Поэтому, хотя в основных выводах новой статьи никаких слов о стерильных нейтрино и не появляется, в самом тексте работы физики кратко отмечают, что их аномалии можно объяснить именно стерильными нейтрино.

Правда, даже такая аккуратность формулировок (ожидаемо усиленная заголовками пресс-релизов и новостных заметок, где словосочетание «стерильное нейтрино» задвинуло все цифры на задний план) сильно смутила других физиков: раньше сотрудники MiniBooNE, уже видевшие точно такую аномалию в прошлых данных, просто говорили, что не знают ей объяснения, а теперь они заявляют, что нашли свидетельства существования стерильных нейтрино. Двойной диссонанс заявления: новая интерпретация против старой и скромная оболочка — против начинки из громкой сенсации.

Физик и научный журналист Сабина Хоссенфельдер отдельно отмечает замечательность того, что «несовпадения» данных LSND совпадают с новыми данными MiniBooNE

— Новым данным определенно можно доверять, но по интерпретации есть вопросы, — говорит член-корреспондент РАН, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) Сергей Троицкий. — Наверное, здесь есть такое внешнее влияние: раньше стерильное нейтрино воспринималось как странная тема исследований, а сейчас все поменялось и, наоборот, развернулась гонка, кто первый найдет его в экспериментах. Акценты поменялись.

Лакомый приз

Влечение физиков к стерильному нейтрино объяснить несложно: очень много фундаментальных вопросов может продвинуться и даже наконец разрешиться с открытием этой частицы. Считаем навскидку.

  • Загадка темной материи — стерильное нейтрино точно так же, как темная материя, взаимодействует с веществом только посредством гравитации, и поэтому темная материя может состоять именно из стерильного нейтрино.
  • Загадка с асимметрий материей над антиматерией — возможно, именно через осцилляции в стерильное нейтрино можно объяснить, почему наша Вселенная развилась такой, что материи в ней гораздо больше, чем антиматерии).
  • Выход за пределы Стандартной модели — Стандартная модель давно требует расширения, а больше всего материалов, противоречащих ей, поставляет физика нейтрино. Так что прорывов смысла к новым, более совершенным общим теориям стоит ждать именно здесь.

Поэтому сейчас ставится немало разных экспериментов по поиску стерильных нейтрино. Наверное, самый известный из них — это IceCube в Антарктиде, именно туда, кстати, в конце одного из сезонов отправились герои «Теории Большого Взрыва». На IceCube стерильное нейтрино хотят поймать с помощью сотен кубометров сверхчистого льда, начиненного детекторами. Но пока из этого ничего не получилось — ни у сериальных героев, ни у реальных физиков. Печально для глаз, жаждущих сенсаций, и, на первый — ошибочный — взгляд, конфликтует с новым результатом из Фермилаб.

Фокус в том, что никто пока точно не знает, каким должно быть стерильное нейтрино, и поэтому в каждом эксперименте ищут, можно сказать, свою частицу — со своей энергией (или массой, что тоже самое) и углом смешивания (проще говоря, интенсивностью осцилляций этих частиц в классические виды нейтрино). Поэтому отрицательные результаты IceCube или, например, нескольких экспериментов, где следы стерильного нейтрино хотели увидеть в потоках частиц из ядерных реакторов, не противоречат результатам MiniBooNE — на IceCube ловили нейтрино с энергиями от килоэлектронвольт, а в Фермилаб сообщили об аномалии в районе энергий около одного электронвольта, что в тысячу раз меньше.

О чем молчат победители

Тем не менее области параметров некоторых прошлых экспериментов все-таки пересекаются с данными MiniBooNE. С другой стороны, в данных других экспериментов аномалий никто не находил. Это вторая серьезная претензия к новому исследованию наравне с поверхностностью интерпретации в пользу модной гипотезы: в тексте статьи не просто никак не объясняются, но и даже не упоминаются противоречия с результатами других групп.

Поэтому авторов, пока что показавших только препринт своей статьи, уже со страниц Science призывают еще раз внимательно проверить свои данные, памятуя о классических ловушках для всех экспериментаторов: возможно, часть избыточных электронных нейтрино, появление которых объясняют стерильными нейтрино, может быть всего лишь артефактами, связанными с фоновым шумом эксперимента.

Наконец, есть еще третий сорт претензий к новой работе, самый сложный по своей природе.

— Такого рода стерильное нейтрино, которое получается в этих данных, легкое и с большим углом смешивания, то есть активно осциллирующее, оно, например со стандартной космологией не очень хочет жить, — рассказывает Дмитрий Горбунов, членкор РАН и старший научный сотрудник ИЯИ РАН. — Космологические данные не приветствуют дополнительное нейтрино, которое могло бы активно взаимодействовать в ранней Вселенной. Так что в этом диапазоне параметров мне было бы странно увидеть стерильное нейтрино. С теоретической точки зрения это было бы не очень красиво. И непонятно, в рамках какой модификации Стандартной модели его можно ввести.

Кроме того, у нового стерильного нейтрино плохо с главными козырями. Оно слишком легкое — и для того, чтобы составить темную материю, и для того, чтобы отвечать за асимметрию материи и антиматерии. Бой, кажется, пока совсем неравный: в одном углу ринга — 461 аномальное событие за 15 лет измерений, а в другом — эстетические претензии, расхождения с результатами конкурирующих групп и слабая интерпретация. С открытием стерильного нейтрино пока можно повременить. Оглавления учебников могут спать спокойно.

— Вообще, сейчас есть и другие указания на стерильные нейтрино, есть некоторые модели с его участием, но так, чтобы без него совсем нельзя было обойтись, не сказать — есть другие модели, которые могут решать самые разнородные экспериментальные проблемы, — говорит Троицкий. — Я бы что-нибудь существенное сейчас бы не стал ставить ни за стерильное нейтрино, ни против него.

Добавить в закладки
Комментарии
...
Вам понравилась публикация?
Расскажите что вы думаете и мы подберем подходящие материалы