Тайната на нищожната маса на неутриното

Търсенето на ключа към загадката на неутриното с малка маса е и търсене на нови частици.

Неутриното е страничен продукт от астрономически събития, които пораждат и поддържат живота.

Тези частици се появяват в реакциите на ядрения синтез в Слънцето и се излъчват от свръхновите. Те нямат заряд и имат изненадващо малка маса. Те са втората най-разпространена частица във Вселената (след фотоните) и трилиони от тях преминават през тялото ви всеки миг.

Въпреки това все още има много неизвестни неща за неутриното.

Сред многото неизяснени въпроси, свързани с неутриното, е как точно то придобива своята маса; Стандартният модел на физиката на елементарните частици не дава отговор на този въпрос. Много от теориите, обясняващи малката маса на неутриното, предвиждат и съществуването на нови, все още неоткрити частици, така че един от начините за проверка на тези теории е да се търсят тези частици.

Придобиване на маса с помощта на полето на Хигс

Повечето фундаментални частици – кварки и лептони – придобиват маса чрез взаимодействие с полето на Хигс. Някои частици, като масивния топ-кварк, взаимодействат по-силно с полето на Хигс, докато други частици, като лекия електрон, взаимодействат по-слабо.

Ако неутриното придобива масата си благодарение на полето на Хигс, то изглежда, че взаимодейства с него дори по-слабо от електрона – много по-слабо; масата на неутриното е около милион пъти по-малка от тази на електрона.

Това само по себе си изглежда странно за учените. Но има и друга причина, поради която те се питат дали неутриното получава масата си от полето на Хигс.

Когато една частица взаимодейства с полето на Хигс, то променя „хиралността“ на частицата – посоката на нейния спин и нейното движение. Когато един дясноориентиран електрон взаимодейства с полето на Хигс, той се превръща в лявоориентиран електрон. Когато лявоориентиран електрон взаимодейства с полето на Хигс, се случва обратното.

Но доколкото учените са успели да установят, всички неутрино са лявоориентирани.

Изглежда, че с тях се случва нещо друго и физиците имат десетки теории за това.

„Това е мнимо богатство“, казва Тао Хан, физик-теоретик от университета в Питсбърг. „Имаме много теории, но все още не знаем коя от тях отразява истинската природа на нещата“.

Люлка за получаване на нова частица

Може би най-простото обяснение е, че дясноориентираните неутрино съществуват, но учените все още не са ги открили.

Но трудността при това обяснение е, че тези дясноориентирани неутрино би трябвало да са много по-различни от познатите ни. Макар че неутриното е почти безмасово, дясноориентираните неутрино вероятно би трябвало да са много по-масивни дори от най-тежката фундаментална частица – топ кварка.

Обяснението е „механизмът на люлката„, който прогнозира, че тежките дясноориентирани неутрино предизвикват левоориентираните неутрино да са толкова леки; дясноориентираните неутрино държат едната страна на метафоричната люлка. Всичко се свежда до математиката на това, което физиците наричат собствено значение, свойство на поведението на системата. Моделът на люлката предполага, че неутриното има две собствени стойности и ако едната е малка, другата трябва да е голяма, за да компенсира несъответствията.

Физиците са предложили много версии и варианти на този механизъм. В един от тях дясноориентираното неутрино би било толкова тежко, че би могло да се открие само в ранната Вселена, когато всичко наоколо е било наситено с достатъчно енергия, за да могат електромагнитните, слабите и силните сили да се обединят в едно. А теорията, обединяваща тези сили, Теорията на Великото обединение (Grand Unified Theory – GUT), вече предсказва съществуването на десноориентирани неутрино.

Този тип разсъждения допадат на физиците теоретици като Му-Чун Чен.

„То обяснява защо масата на десноориентираното неутрино трябва да е голяма и свързана с мащаба на GUT“, казва Чен, професор в Калифорнийския университет в Ървайн. – Това е много елегантно решение“.

Втората версия на механизма на люлката предвижда и нов вид Хигс бозон, който ще позволи на лявото неутрино да се комбинира със себе си и косвено да взаимодейства с новата частица на Хигс, за да придобие маса. Тази нова Хигс частица ще бъде много по-тежка и ще действа като тежкия край на люлката. Тази теория се харесва на Хан, защото въпросите за полето на Хигс „все още крият достатъчно много загадки“.

„Защо трябва да имаме само една частица, която да създава маса? – казва той. „Имаме разлика от петнадесет порядъка между най-леката и най-тежката частица. Мисля, че в полето на Хигс има нещо повече, отколкото сме видели досега“.

Третата версия на механизма на люлката предвижда нов набор от други масивни частици материя, които компенсират ниската маса на неутриното.

Физиците са разработили модели, комбиниращи тези три варианта, както и други варианти с „обратни“ и „двойни“ люлки. Но не всички са съгласни с тези идеи.

Един от проблемите е, че предсказаните частици са толкова масивни, че физиците все още не знаят как да построят достатъчно мощен ускорител на частици, за да ги изследват. Патрик Хубер, физик-теоретик в Техническия университет във Вирджиния, казва, че „механизмът на люлката“, наречен на името на детска играчка, е „класически пример за теория, която е много трудна за проверка и доказване“.

Другият проблем е, че всички модели на тези хипотетични люлки прогнозират, че неутриното функционира като античастица на себе си. Досега учените не са видели доказателства, че това е така. А ако това е вярно, то би нарушило друг закон на физиката, наречен запазване на лептонното число.

Необходимо е да се търси навсякъде и да се задават правилните въпроси

Не всички теории, обясняващи малката маса на неутриното, включват подобна люлка. Друга теория, наречена „радиационно генериране на маса“, предполага, че неутриното придобива масата си чрез квантовите ефекти на виртуалните частици. Но подобно генериране на маса също изисква съществуването на нови частици, за да работи.

Досега експерименталните данни не са били пряко съпоставяни с нито един от тези модели.

„Физиката на масата на неутриното е подобна на физиката на тъмната материя, в смисъл че почти не знаем какво е тъмна материя“, казва Педро Мачадо, физик-теоретик от Националната лаборатория за ускорители „Ферми“ към Министерството на енергетиката на САЩ. – Когато става въпрос за моделите на масата на неутриното, тяхната популярност не е аргумент. Всички жизнеспособни модели са еднакво добри от гледна точка на данните“.

С други думи, физиците се нуждаят от повече данни. „Теорията за неутриното има ужасни резултати в прогнозирането на каквото и да било„, казва Хубер. „Но ние сме на път да навлезем в ерата на точните измервания на неутриното, което може да бъде инструмент за откриване на нова физика. Имаме теории и ако едно измерване потвърди дадена теория, това ще е много интересно за този, който е създал теорията. Но ако експериментът разкрие нещо, което никой не е предвидил, то това ще бъде интересно за всички„.

Чрез най-различни физически експерименти учените от целия свят се опитват да разберат неутриното и естеството на неговата маса, а може би и да открият признаци на нова частица, която би могла да помогне да се обясни всичко това.

„Тъй като има толкова много възможности, най-полезното нещо е да хвърлим една голяма мрежа и да разгледаме възможно най-много различни възможности“, казва Мачадо. Ако обяснението изведе физиката отвъд сегашното ни разбиране, казва той, „тогава ще се окаже, че е това, което сме очаквали“.

Всъщност в началото на тази година бе регистрирано антинеутрино на разстояние 240 километра от ядрен реактор с помощта на напълнен с вода неутринен детектор – първото използване на подобно устройство. Детекторът SNO+ е течен сцинтилаторен детектор за изследване на неутрино. Експериментът се провежда на 2 км под земята, където повечето частици не могат да проникнат – в мината „Крайтън“ на компанията Vale близо до Съдбъри, Онтарио, Канада.

Навярно това ще доведе до нови глави във физиката на елементарните частици.