Откуда нейтрино получают свою массу? Это загадка, одна из самых загадочных в Стандартной модели физики элементарных частиц. Но команда физиков думает, что знает, как ее решить.
Вот проблема: нейтрино странные. Ультра-слабые частицы, большинство из них настолько низкоэнергетичны и нереальны, что проходят через всю нашу планету без остановки. На протяжении десятилетий ученые думали, что у них вообще нет массы. В оригинальной версии Стандартной Модели, которая описывает физику элементарных частиц, нейтрино было совершенно невесомым. Около двух десятилетий назад это изменилось. Физики теперь знают, что нейтрино имеют массу, хотя и в незначительных количествах. И они еще не уверены, почему именно эта масса.
Мы можем разгадать эту тайну, утверждает новая статья, опубликованная 31 января в журнале Physical Review Letters. Учитывая достаточно времени и данных, нейтрино с самой высокой энергией, которые мы уже можем обнаружить, должны помочь раскрыть секреты их массы.
Обнаружение нейтринных резонансов
Нейтрино имеют разное количество энергии: две идентичные частицы будут вести себя очень по-разному в зависимости от того, сколько энергии они несут.
Большинство нейтрино, которые мы можем обнаружить, исходит от нашего Солнца и нескольких сверхярких источников энергии на Земле (таких как ядерные реакторы), и имеют относительно низкую энергию. А нейтрино низкой энергии легко проникают сквозь куски материи, не ударяясь ни во что. Но наша планета также подвергается бомбардировке нейтрино гораздо более высоких энергий. И они гораздо чаще сталкиваются с другими частицами, подобно тракторному прицепу, кричащему по шоссе в проходящей полосе.
Еще в 2012 году в Антарктике появился онлайн-детектор частиц, предназначенный для обнаружения нейтрино с более высокой энергией. Но детектор, названный IceCube, не может определить их напрямую. Вместо этого он ищет последствия столкновений нейтрино с высокой энергией с молекулами воды в окружающем льду - столкновения, которые производят всплески частиц другого типа, которые может обнаружить IceCube. Обычно эти всплески являются грязными, производя множество частиц. Но иногда они необычно чисты - результат процесса, называемого резонансом, говорит соавтор исследования Бхупал Дев, физик из Вашингтонского университета в Сент-Луисе.
Когда нейтрино врезается в другую частицу, а именно в электрон, то есть иногда он проходит через процесс, известный как резонанс Глэшоу, Дев сказал «Живой науке», что резонанс объединяет две частицы и превращает их в нечто новое: W-бозон. Впервые предложенный в 1959 году, резонанс Глэшоу требует очень высоких энергий, и один пример мог появиться в IceCube в 2018 году, согласно докладу 2018 года на конференции нейтрино.
Но, по словам Дева и его соавторов, могут быть и другие типы резонансов. Одна из наиболее популярных теорий о том, как нейтрино получают свою массу, известна как «модель Зи». И в модели Зи, был бы другой тип резонанса, как Глэшоу, производящий другую новую частицу, известную как «взрыв Зи», исследователи написали в новом исследовании. И этот резонанс будет в пределах способности IceCube обнаруживать.
Если взрыв Зи был обнаружен, это привело бы к радикальному обновлению Стандартной модели, полностью изменив взгляд физиков на нейтрино, сказал Дев.
Модель Зи перейдет от теории к твердой науке, и существующая модель нейтрино будет выброшена.
Но IceCube чувствителен только к определенным диапазонам энергий нейтрино, и условия, которые могут привести к вспышкам Зи, находятся на внешних границах этого диапазона. Со временем один такой инцидент, вероятно, будет обнаружен IceCube в какой-то момент в течение следующих 30 лет.
Но, к счастью, появятся обновления для IceCube, отметили исследователи. После того, как детектор будет обновлен до гораздо большего и более чувствительного IceCube-Gen 2 (неясно, когда именно это произойдет), более чувствительное устройство сможет уловить всплеск Zee в течение всего трех лет - если всплески Zee действительно там
И если вспышек Зи нет, а модель Зи ошибочна, загадка массы нейтрино станет еще глубже.
