Текст уведомления здесь

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

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
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

От теплоэнергетики — к космосу и климату

Большое интервью с лауреатом «Глобальной энергии — 2018», теплофизиком Сергеем Алексеенко

Одним из лауреатов международной премии «Глобальная энергия» в этом году стал академик РАН, экс-директор Института теплофизики СО РАН Сергей Алексеенко (опередивший десяток других финалистов, в том числе Илона Маска). Ученый рассказал корреспонденту «Чердака» о том, как получать энергию из земли, какое физическое явление привело к аварии на Саяно-Шушенской ГЭС и как теплофизика связана с астрономией и космической погодой.
Добавить в закладки
Комментарии

— Сергей Владимирович, вы стали лауреатом премии «Глобальная энергия». Поздравляю!

— Спасибо! Это было неожиданным, несмотря на то что я, по-моему, в пятый раз попадаю в шорт-лист. Мне даже уже показалось, что мое время прошло. Я считаю, что это очень престижная премия, я очень высоко это ценю.

— Эту премию вам вручили по сумме заслуг?

— Я представляю академическую науку. В отличие от крупных компаний, которые доводят разработки до коммерческого продукта, мы занимаемся фундаментальными основами технологий. Я действительно получаю награду по совокупности работ. Мы работаем фактически по всем направлениям энергетических технологий. Это и теплоэнергетика на органическом топливе, и возобновляемые источники энергии, причем почти все виды — солнце, ветер, геотермальное тепло, горючие отходы, ГЭС, накопители энергии и энергосбережение. Почему так много направлений? Дело в том, что главная фундаментальная дисциплина, которая обеспечивает энергетику необходимыми исследованиями, это теплофизика, которую я и представляю. [ ... ]

Читать полностью

Истина где-то внизу

На Марсе нашли органику и подтвердили сезонные колебания метана в атмосфере. Теперь в поисках марсианской жизни придется копать глубже

Ученые окончательно доказали наличие органических молекул в грунте марсианского кратера Гейла. Теперь мы не только знаем, что 3,5 миллиарда лет назад на этом месте было озеро, а условия сопоставимы с земными в момент зарождения жизни, но и можем говорить о том, что когда-то в этом озере было все необходимое для жизни. А подтверждение сезонных колебаний концентрации метана в атмосфере Марса указывает на то, что его источник находится под поверхностью планеты. Не исключено, что происхождение газа имеет биологическую природу. Но для установления этого нужны скважины посерьезнее.
Добавить в закладки
Комментарии

Сегодня международная группа ученых представила новые результаты исследования осадочных пород из кратера Гейла — 154-километрового ударного образования вблизи экватора планеты. Образцы, собранные марсоходом Curiosity в трех местах неподалеку от посадки ровера, однозначно указывают на наличие сложных органических соединений.

Органика была обнаружена при помощи установленной на борту марсохода Curiosity установки SAM (Sample Analysis on Mars). Внутри этого прибора образец грунта нагревается и выделяет газы, которые пропускаются через хроматограф, разделяются в нем на фракции, а затем попадают в масс-спектрометр — прибор, позволяющий определить соотношение массы ионов с их зарядом. У разных веществ это соотношение разное, поэтому масс-спектрометрия используется для определения состава чего угодно: такие спектрометры используют и в промышленности, и в медицине, и даже для поиска следов запрещенных веществ в багаже авиапассажиров.

SAM перед установкой на марсоходе. Серебристый цилиндр на переднем плане — лазерный спектрометр, который не участвовал в поиске органических молекул, но позволил совершить другое открытие: подтвердить сезонные колебания концентрации метана в атмосфере Марса. Фото: NASA / GSFC / SAM
SAM перед установкой на марсоходе. Серебристый цилиндр на переднем плане — лазерный спектрометр, который не участвовал в поиске органических молекул, но позволил совершить другое открытие: подтвердить сезонные колебания концентрации метана в атмосфере Марса. Фото: NASA / GSFC / SAM

Три года назад команда SAM уже рапортовала об обнаружении органики в грунте кратера Гейла, но они были подпорчены наличием в пробах перхлоратов, что оставляло место для скепсиса. Теперь же и пробы, взятые в других точках кратера, «почище», да и подтверждение это — второе. (Не просто так в 2015 году статья вышла в Journal of Geophysical Research: Planets, а эта — уже в одном из самых престижных научных журналов, Science!) [ ... ]

Читать полностью

Планктономешалка

Как перемешать океан живыми существами?

Можно ли перемешать воду в океане? Участвуют ли в этом процессе животные организмы и какой размер у них должен для этого быть? «Чердаку» это объясняет кандидат биологических наук Егор Задереев, ведущий научный сотрудник ФИЦ Красноярского научного центра СО РАН.
Добавить в закладки
Комментарии

— Несколько недель назад в журнале Nature вышла статья, в которой ученые утверждают, что маленькие рачки могут перемешивать океан. Здесь, конечно, интересен даже не сам научный повод — что рачки перемешивают океан, а весь флер вокруг этой истории. Статья пролежала в журнале примерно три года.

Первая работа, которую опубликовала эта группа ученых, была сделана просто в стакане с водой. В этом стакане, конечно же, вся вода была однородной с точки зрения распределения плотности, но они показали, что действительно, когда маленькие рачки начинают плавать, там каким-то образом появляются небольшие турбулентные завихрения, которые могут перемешать содержимое данного стакана. Вероятно, когда они отправили эту работу в Nature, им сказали: «Нет, ребята, это слишком просто. В чем вообще проблематика?» [ ... ]

Читать полностью