Квантовый мир: как связаны стерильные нейтрино и темная материя?

Самые распространенные частицы природы, за исключением фотонов (частиц света) – это нейтрино. Они не имеют заряда и исходят от Солнца, а также от сверхновых и других космических событий. Более того, около триллиона нейтрино прямо сейчас проходят через вашу руку! Ученые выделяют несколько типов или разновидностей нейтрино: электронные, мюонные и тау-нейтрино, а также надеются на существование четвертого типа – «стерильных нейтрино». Если они действительно существуют, то помогли бы разрешить несколько фундаментальных загадок в физике, например, почему нейтрино имеют массу, в то время как теории предсказывают, что массы у этих частиц быть не должно? Стерильные нейтрино также связывают с таинственный субстанцией, которая заполняет 85% наблюдаемой Вселенной – темной материей, пронизывающей космос. Наличие этих загадочных частиц предсказывали ранее проведенные эксперименты, но вот незадача: теория также предсказывает возможное существование не только «стерильных» нейтрино, но и множества других, дополнительных частиц. Эти нейтрино могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил где-то на задворках Вселенной. Но обо всем по порядку.

Квантовый мир скрывает множество тайн, крохотную часть из которых мы пытаемся постичь

Содержание

• 1 Из чего состоит все вокруг?
• 2 Загадочные нейтрино
• 3 В поисках стерильного нейтрино
• 4 Причем здесь темная материя?

Из чего состоит все вокруг?

С точки зрения физики мы состоим из кварков и лептонов. Как объясняет в своем видео для Пост-Науки доктор физико-математических наук Данилов Михаил Владимирович, нейтроны состоят из u-кварков и d-кварков и составляют атомные ядра. Из атомных ядер и электронов образуются атомы, которые затем объединяются в молекулы, образуя абсолютно все, что мы видим вокруг себя.

Согласитесь, довольно простая картина. Электроны в атомах удерживаются за счет электромагнитного взаимодействия, а его переносчик – фотоны. Кварки внутри протона и нейтрона удерживаются за счет сильного взаимодействия, переносчиками которого появляются глюоны.

Бозон Хиггса многое изменил в мире элементарных частиц

За счет сильного взаимодействия протоны и нейтроны удерживаются в ядре атома, а слабое взаимодействие ответственно за переход нейтрона в протон, электрон и антинейтрино. Тут, однако, необходимо отметить, что у каждой частицы есть своя античастица, которая отличается от частицы отрицательным зарядом, – отмечает Данилов.

Но несмотря на столь элегантную и простую на первый взгляд картину, природа не так проста. И доказательством тому служит существование еще одного набора кварков и лептонов, которые физики называют поколениями. Интересно, что эти частицы тяжелее обыкновенных кварков и лептонов, но вокруг нас их нет. Они возникают лишь в редких случаях.

Итак, что мы в итоге знаем о Вселенной?

В природе существуют кварки и лептоны. Кварки принимают участие в сильном взаимодействии, лептоны – нет.

По сути, эти крошечные частицы – фундамент всего, что мы видим. Обнаруженный в 2012 году Бозон Хиггса, кажется, завершил картину, так как именно он дает массу всем остальным частицам Стандартной модели.

Загадочные нейтрино

Но вернемся к нейтрино. В 1990-х годах во время экспериментов по изучению этих таинственных частиц произошло нечто странное: в детекторе появилось слишком много частиц. В 2002 году ученые начали еще один эксперимент, чтобы выяснить, что произошло. Это испытание также показало удивительные результаты — но по-другому.

Нейтрино – это загадочные квантовые частицы, которые имеют массу, но очень малы и их трудно измерить. Они удивительны, потому что масса, которую они содержат, не учитывается в Стандартной модели, описывающей субатомный мир.

Эти избыточные частицы в ранних экспериментах взволновали ученых. Дело в том, что они выглядели как возможные признаки существования так называемых «стерильных нейтрино», мешающих нормальным нейтринным ароматам (как их поэтично называют физики): стерильные нейтрино взаимодействовали бы с другими частицами только с помощью гравитации, тогда как известные три аромата нейтрино – с помощью слабого взаимодействия.

Физики поэтично называют разные типа кварков ароматами

И все же они могут оказывать влияние на другие нейтрино из-за странного свойства, которым обладают все эти частицы: способности «колебаться» или менять аромат. Частица, например, электронное нейтрино, может превратиться в тау или мюонное нейтрино, и наоборот. Обычно это преобразование происходит, когда нейтрино преодолевают определенное расстояние, но, похоже, оно происходит быстрее в других экспериментах.

Однако в 2013 году существование стерильных нейтрино было поставлено под сомнение, поскольку исследования, проведенные в Институте Макса Планка в Германии по ранней вселенной, не обнаружили их следов, как, например, объясняет в этой связи журнал Quanta.

С тех пор появились предположения о возможности существования не одного стерильного, а множества дополнительных нейтрино, которые могли бы взаимодействовать друг с другом посредством своих собственных тайных сил в месте во Вселенной, которое мы до сих пор не знаем.

В поисках стерильного нейтрино

Детектор нейтрино LSND, расположенный в Национальной лаборатории Лос-Аламоса и мини-ускоритель нейтрино MiniBooNE в Национальной ускорительной лаборатории Ферми (Fermilab) позволили исследователям прийти к удивительным выводам.

Более двадцати лет физики ищут таинственное стерильное нейтрино

Интересный факт
Ранее считалось, что мюонные нейтрино могут превращаться в стерильные нейтрино, а затем в электронные нейтрино – этот процесс может происходить быстрее, чем простое переключение мюонного аромата на электронный.

В своих экспериментах физики генерируют поток мюонных нейтрино и направляют их на детектор, расположенный на расстоянии 470 метров. Детектор – гигантский резервуар, заполненный 170 метрическими тоннами чистого жидкого аргона – ждет, чтобы поймать нейтрино в момент столкновения с ядром одного из атомов аргона. Такие столкновения крайне редки, и единственными их признаками являются вторичные частицы, образующиеся в результате взаимодействия.

Как пишет Scientific American, ученые объявили о результатах, полученных с помощью детектора MicroBooNE 27 октября, заявив, что не увидели никаких признаков, свидетельствующих о наличии дополнительных частиц.

Да, это немного странно, – говорит представитель MicroBooNE Бонни Флеминг из Йельского университета. «В более ранних экспериментах наблюдались дополнительные частицы, похожие на электроны или фотоны», – отмечает он.

Детектор элементарных частиц MicroBooNE

Однако MicroBooNE может гораздо точнее определить направление движения частиц и энергию, которую выделяют частицы. Это означает, что физики могут решить, является ли что-то электроном или фотоном. Настоящий триумф эксперимента заключается в том, что технология работает настолько хорошо.

Тем не менее, исследователи практически уверены в том, что там, где они искали, нет лишних электронов или фотонов, что ослабляет надежды на обнаружение стерильных нейтрино. Если бы мюонные нейтрино могли быстро превращаться в стерильные нейтрино, а затем в электронные нейтрино, электроны появились бы в детекторе.

Детектор находится недостаточно далеко от своего источника, чтобы возникло обычное колебание мюонного нейтрино в электронное нейтрино

Но если нет лишних электронов или фотонов, то что это за избыточные частицы, которые были зарегистрированы LSND и MiniBooNE? Один из вариантов ответа заключается в том, что необъяснимые столкновения нейтрино на самом деле не происходили ни в одном из предыдущих экспериментов и что в случае с MiniBooNE исследователи просто пропустили некоторые помехи внутри детектора в ходе эксперимента.

Детектор находится недостаточно далеко от своего источника, чтобы возникло обычное колебание мюонного нейтрино в электронное нейтрино.

Другие соглашаются. «Очень маловероятно, что в детекторе произошла какая-то ошибка», – рассказал журналистам физик-теоретик Северо-Западного университета Андре де Гувеа. Должен быть новый источник либо электронов, либо фотонов, либо чего-то похожего на электроны или фотоны. Возможно, говорит он, происходит что-то более сложное.

Эти частицы могут распадаться на другие — например, на обычное нейтрино и нечто экзотическое, например «темный фотон» (двоюродный брат обычных фотонов, физики предполагают его существование, однако никаких доказательств их существования на сегодняшний день нет).

Причем здесь темная материя?

И все же, стерильные нейтрино остаются привлекательной перспективой для физиков. Они, вероятно, являются побочным продуктом теорий, пытающихся объяснить, почему нейтрино вообще имеют массу. Более того, эти таинственные частицы могут помочь объяснить, что такое темная материя.

Дело в том, что некоторые виды стерильных нейтрино сами могут быть кандидатами на темную материю, или же быть частью «темного сектора», в котором частица темной материи оказывается связана со стерильными нейтрино или распадается на них. И выяснение того, что происходит в этих экспериментах с нейтрино, может стать первым шагом к ответу на эти более масштабные вопросы.

Это действительно интересно, потому что все очевидные возможности уже проверены, – считают исследователи.

Так как темная материя не вступает в электромагнитное взаимодействие с фотонами света, наблюдать ее непосредственно невозможно

Как предложил Джанет Конрад, физик из Массачусетского технологического института (MIT), и Карлос Аргуэльес-Дельгадо, физик из Гарвардского университета, стерильные нейтрино могут распадаться на набор невидимых частиц: они подтвердили бы существование темного сектора, выведенного в качестве альтернативы невозможности обнаружения «неповрежденных» стерильных нейтрино.

Напомню, что темная материя не состоит из обычных частиц, таких как электроны, протоны или электроны, поэтому считается, что она должна состоять из частицы, не распознаваемой Стандартной моделью.

Исторически стерильные нейтрино были кандидатами для объяснения состава темной материи, поэтому проверка того, что они доминируют в темном секторе с помощью невидимых частиц, которые являются их прямыми потомками, также объяснило бы, почему Вселенная находится в постоянном расширении.

Возможно, ученые вскоре обнаружит нечто такое, что навсегда изменит современную физику

Опубликовано на сайте: 2021-11-28