Шесть причин следить за достижениями нейтринной физики

Те, кто следят за новостями физики, наверняка знают, что после открытия бозона Хиггса главной задачей работы Большого адронного коллайдера является поиск так называемой Новой физики — неизвестных законов, которые помогли бы объяснить такие фундаментальные проблемы современной физики как иерархия масс, барионная асимметрия, природа тёмной материи и т. д. Много об этом пишет, например, Игорь Иванов на «Элементах». К сожалению, пока никаких существенных отклонений от Стандартной модели учёные не видят, и в сообществе начинает нарастать пессимизм: энергии частиц на самой большой экспериментальной установке современности для наблюдения эффектов за пределами Стандартной модели не хватит.

В связи с этим несколько оптимистичнее выглядят перспективы экспериментов с нейтрино. И на то есть как минимум шесть серьёзных причин.

Нейтрино уже нарушают Стандартную модель

Конечно, мы знаем, что существуют тёмная материя и тёмная энергия, которые никак в Стандартной модели не фигурируют, и природа которых неясна. Но нейтрино — это частица, включённая в Стандартную модель, и при этом не описываемая ею в полной мере. Нобелевская премия прошлого года, напомню, была вручена как раз за это — за доказательство того факта, что нейтрино самопроизвольно может менять свой «аромат», превращаясь из, скажем, электронного в мюонное. Это называется нейтринными осцилляциями, и строго говоря, всё, что мы узнаём об этом явлении — уже Новая физика.

Лауреаты Нобелевской премии по физике 2015: Такааки Кадзита и Артур Макдональд.
Лауреаты Нобелевской премии по физике 2015: Такааки Кадзита и Артур Макдональд.

Нейтринные осцилляции только-только начинают по-хорошему изучать

Каждый из ароматов нейтрино, на самом деле, это квантовая суперпозиция трёх состояний с различной массой. Их взаимосвязь описывается так называемыми углами смешивания, и их значения постоянно уточняются в ходе всё более точных экспериментов. Например, только недавно было установлено, что один из этих углов — θ13 — совсем не так мал, как думали раньше.

Нейтрино, возможно, нарушают CP-инвариантность

Нарушающими CP-инвариантность в физике элементарных частиц называются процессы, в которых частицы ведут себя не так, как соответствующие им античастицы. Давно известны такие процессы для некоторых частиц, состоящих из кварков, — например, каонов или B-мезонов. Но только недавно появились данные, что CP-инвариантность может нарушаться и в нейтринных экспериментах. Эти намёки подтвердились и свежими результатами с установки T2K. На ней детектор облучали потоками мюонных нейтрино и антинейтрино, и ожидали, что будут зарегистрированы 23 электронных нейтрино и 7 антинейтрино, но обнаружили 32 электронных нейтрино и только 4 антинейтрино. Этого пока недостаточно для того, чтобы сделать определённый вывод, но с набором статистики нарушение CP-инвариантности пока только нарастает.

Нейтрино может оказаться первым известным майорановским фермионом

Майорановским называется фермион, который совпадает со своей античастицей. Такой фермион должен быть абсолютно нейтральным, а нейтрино — единственный из известных фермионов, который не имеет заряда (остальные — электроны, позитроны, мюоны, кварки и др. — имеют). Вопрос о том, является ли нейтрино майорановским фермионом важен в том числе для понимания того, как он приобретает массу. Чтобы определить, является ли нейтрино идентичным антинейтрино, учёные пытаются задетектировать так называемый безнейтринный двойной бета-распад. При обычном двойном бета-распаде два нейтрона превращаются в протоны и испускают пару электронов (которые называют бета-лучами — отсюда и название распада) и пару антинейтрино. Если нейтрино и антинейтрино — это одна и та же частица, то эти два антинейтрино могут аннигилировать, и распад произойдёт без их испускания. Пока что учёным обнаружить такие распады не удалось, но наблюдения идут полным ходом.

Возможно, мы скоро откроем ещё один тип нейтрино

Теоретики давно говорят о возможности существования четвёртого типа нейтрино — так называемого стерильного нейтрино. Если его всё же откроют, то это событие, несомненно, заставит на время забыть даже о Большом адронном коллайдере. Существование стерильного нейтрино позволило бы объяснить одновременно и феномен тёмной материи, и отсутствие вокруг нас антиматерии. К сожалению, пока все попытки задетектировать эту частицу дали отрицательные результаты, но ещё остаются надежды, что его обнаружат, например, при помощи IceCube.

Сразу несколько мощных нейтринных лабораторий приступают к работе

В 2014 году в Фермилабе начал работу эксперимент NOνA. В 2025 году ожидается запуск эксперимента Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Приблизительно в то же время должен начать работу японский Hyper-Kamiokande, рабочим телом которого станет бак, заполненный миллионом тонн воды. Наконец, в Европе ищут денег на 5-миллиардный EUROnu.

Схема эксперимента _DUNE_.
Схема эксперимента DUNE.

Возможно, ни одна из этих возможностей не «выстрелит», и нейтринной физике придётся ждать многие годы своих больших открытий, но почему бы и не присмотреться к этой теме повнимательнее уже сейчас?


Источник: Six reasons to get excited about neutrinos by Andrew Grant // Physics Today

comments powered by Disqus