Нейтрино, пожалуй, самая загадочная из известных частиц. Они просто пренебрегают всеми известными правилами поведения частиц. Они издеваются над нашими модными детекторами. Как космические кошки, они путешествуют по всей вселенной, не беспокоясь и не заботясь, иногда взаимодействуя с остальными, но на самом деле, только когда им это нравится, что, честно говоря, не так часто.
Больше всего расстраивает то, что они носят маски и никогда не выглядят одинаково дважды.
Но новый эксперимент, возможно, сделал нас на шаг ближе к срыву этих масок. Выявление истинной нейтринной идентичности может помочь ответить на давние вопросы, например, являются ли нейтрино их собственными партнерами по антивеществу, и это может даже помочь объединить силы природы в одну связную теорию.
Огромная проблема
Нейтрино странные. Существует три вида: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. (Существуют также античастичные версии этих трех, но это не большая часть этой истории.) Они названы так потому, что эти три вида попадают на вечеринку с тремя разными типами частиц. Электронные нейтрино объединяют взаимодействия с участием электронов. Мюонные нейтрино соединяются с мюонами. Никакие очки не будут присуждены, чтобы угадать, с чем взаимодействует тау нейтрино.
Пока это совсем не странно. Здесь начинается странная часть.
Для частиц, которые не нейтрино - как электроны, мюоны и частицы тау - то, что вы видите, это то, что вы получаете. Эти частицы абсолютно одинаковы, за исключением их массы. Если вы заметите частицу с массой электрона, она будет вести себя точно так же, как должен вести себя электрон, и то же самое касается мюона и тау. Более того, как только вы заметите электрон, он всегда будет электроном. Ни больше ни меньше. То же самое для мюона и тау.
Но то же самое не касается их кузенов, электронных, мюонных и тау-нейтрино.
То, что мы называем, скажем, «тау нейтрино», не всегда тау нейтрино. Это может изменить свою личность. Он может стать в полете электронным или мюонным нейтрино.
Это странное явление, которого в принципе никто не ожидал, называется нейтринным колебанием. Это означает, среди прочего, что вы можете создать электронное нейтрино и отправить его своему лучшему другу в подарок. Но к тому времени, когда они получат это, они могут быть разочарованы, обнаружив вместо этого тау-нейтрино.
Качели
По техническим причинам осцилляция нейтрино работает только при наличии трех нейтрино с тремя разными массами. Но колеблющиеся нейтрино не являются нейтрино со вкусом электронов, мюонов и тау.
Вместо этого есть три «настоящих» нейтрино, каждый с различной, но неизвестной массой. Отличная смесь этих истинных, фундаментальных нейтрино создает каждый из нейтринных ароматов, которые мы обнаруживаем в наших лабораториях (электрон, мюон, тау). Таким образом, измеренная в лаборатории масса представляет собой смесь этих истинных нейтринных масс. Между тем, масса каждого истинного нейтрино в смеси определяет, как часто он превращается в каждый из разных ароматов.
Задача физиков сейчас состоит в том, чтобы распутать все отношения: каковы массы этих истинных нейтрино и как они смешиваются вместе, чтобы создать три аромата?
Итак, физики охотятся за тем, чтобы раскрыть массы «настоящих» нейтрино, посмотрев, когда и как часто они меняют вкус. Опять же, физический жаргон очень бесполезен при объяснении этого, так как названия этих трех нейтрино просто m1, m2 и m3.
Разнообразные кропотливые эксперименты научили ученых некоторым вещам о массах настоящих нейтрино, по крайней мере косвенно. Например, мы знаем о некоторых отношениях между квадратом масс. Но мы не знаем точно, сколько весят настоящие нейтрино, и мы не знаем, какие из них тяжелее.
Может быть, что м3 - самый тяжелый, намного превосходящий м2 и м1. Это называется «нормальное упорядочение», потому что оно кажется вполне нормальным - и физики упорядочения по существу догадывались десятилетия назад. Но, исходя из нашего текущего уровня знаний, также может быть, что m2 - самое тяжелое нейтрино, с m1 недалеко и с m3 маленьким по сравнению. Этот сценарий называется «инвертированным порядком», потому что это означает, что мы изначально угадали неправильный порядок.
Конечно, есть лагеря теоретиков, тоскующих по каждому из этих сценариев, чтобы быть правдой. Теории, которые пытаются объединить все (или, по крайней мере, большинство) сил природы под одной крышей, обычно требуют нормального упорядочения нейтринных масс. С другой стороны, обратное упорядочение масс необходимо для того, чтобы нейтрино было своим собственным двойником античастиц. И если бы это было правдой, это могло бы помочь объяснить, почему во вселенной больше материи, чем антивещества.
DeepCore тренировки
Что это: нормальное или перевернутое? Это один из самых больших вопросов, которые возникли в последние пару десятилетий исследований нейтрино, и именно на этот вопрос и была рассчитана массивная нейтринная обсерватория IceCube. Расположенная на Южном полюсе, обсерватория состоит из десятков цепочек детекторов, утопленных в Антарктический ледяной щит, с центральным "DeepCore" из восьми цепочек более эффективных детекторов, способных видеть взаимодействия с более низкой энергией.
Нейтрино почти не разговаривают с нормальной материей, поэтому они вполне способны летать прямо через тело самой Земли. И когда они это сделают, они превратятся в различные ароматы. Время от времени они сталкиваются с молекулой в антарктическом ледяном покрове около детектора IceCube, вызывая каскадный поток частиц, которые испускают удивительно синий свет, называемый черенковским излучением. Именно этот свет обнаруживают строки IceCube.
В недавней статье, опубликованной в пре-печатном журнале arXiv, ученые IceCube использовали данные DeepCore за три года, чтобы измерить, сколько из каждого вида нейтрино прошло через Землю. Конечно, прогресс идет медленно, потому что нейтрино очень трудно поймать. Но в этой работе. ученые сообщают о небольшом предпочтении данных для нормального упорядочения (что означало бы, что мы угадали прямо десятилетия назад). Однако они пока не нашли ничего слишком убедительного.
Это все, что мы получим? Конечно, нет. IceCube готовится к серьезному обновлению в ближайшее время, и новые эксперименты, такие как Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) и Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), готовятся к решению этого центрального вопроса. Кто знал, что такой простой вопрос об упорядочении масс нейтрино покажет, как работает Вселенная? Это очень плохо, это также не простой вопрос.
Пол М. Саттер является астрофизиком в Государственный университет Огайо, хозяин "Спроси космонавта" и "Космическое Радио, "и автор"Ваше место во Вселенной."
