Как крошечная масса нейтрино помогает разгадывать тайны вселенной

02.11.2019 | Новости | Автор: СтудЗона | Просмотры: 103

Из всех известных во Вселенной частиц только фотоны превосходят нейтрино. Однако, несмотря на их обилие, нейтрино трудно отделить от более больших форм поскольку они слабо взаимодействуют с любым веществом. Для понимания их размеров стоит лишь только сказать что около тысячи триллионов призрачных частиц проходят через ваше тело каждую секунду

«Тот факт, что они повсеместно распространены, а мы даже не знаем, сколько они весят невероятный для современной науки», - сказала Дебора Харрис, физик из Национальной лаборатории ускорителей Fermi, расположенной недалеко от Чикаго.

Физики долго пытались взвесить данную частицу, а в сентябре, после 18 лет планирования, построения и калибровки, эксперимент по тритий-нейтрино в Карлсруэ (KATRIN) на юго-западе Германии объявил о своих первых результатах: данный эксперимент показал что нейтрино не может весить более 1,1 электрон-вольт (эВ) или около одной пятисоттысячной массы электрона.

«Когда я училась в аспирантуре, в моих учебниках говорилось, что нейтрино не имеет массы», - сказала Харрис. 

Эта первоначальная оценка, основанная на данных за один месяц, уточняет результаты предыдущего измерения с использованием аналогичных методов, которые устанавливали верхний предел массы нейтрино на уровне 2 эВ. По мере продолжения исследования нейтрино, KATRIN стремится более четко понять точное значение массы этого элемента Вселенной.

Массовые состояния нейтрино и доказательство ненулевой массы

Масса является одной из самых основных и важных характеристик фундаментальных частиц. Нейтрино - единственная известная частица, масса которой по сей день остается загадкой. Измерение его массы поможет указать на новые законы физики, выходящие за рамки стандартной модели - удивительно успешного, но не полного описания того, как взаимодействуют известные частицы и силы вселенной. Его измеренная масса также послужит проверкой теорий космологов о том, как развивалась Вселенная.

«В зависимости от того, каковой масса нейтрино в конечном счёте окажется, это может привести к очень захватывающим временам в космологии», - сказала Диана Парно, физик из Университета Карнеги-Меллона и член команды KATRIN.

Еще около двух десятилетий назад нейтрино, которые были теоретически предсказаны в 1930 году и обнаружены в 1956 году, считались безмассовыми. Представление ученых о нейтрино поменялись когда открытие, которое в последствии получило Нобелевскую премию 2015 года, доказало что нейтрино могут переходить из одного вида в другой, колебаясь между тремя «ароматными» состояниями: электроном, мюоном и тау. Эти превращения могут произойти, только если у нейтрино также есть три возможных массовых состояния, где каждый элемент имеет различные вероятности нахождения в каждом из трех массовых состояний.

Массовые состояния перемещаются в пространстве по-разному, поэтому к тому времени, когда нейтрино переместится из точки А в точку Б, эта смесь вероятностей изменится, и детектор сможет измерить другой вид.

Если существует три разных массовых состояния, то все они не могут быть равны нулю, поэтому ученые доказали что нейтрино всё же имеют массу. Согласно последним данным осцилляций (которые показывают различия между массовыми состояниями, а не их фактическими значениями), если самое легкое массовое состояние равно нулю - самое тяжелое должно быть не менее 0,0495 эВ.

Основной спектрометр эксперимента KATRIN транспортируется в исследовательский центр Карлсруэ, Германия, 2006 год

Тем не менее, это настолько мало по сравнению с массой других частиц, что физики не уверены, откуда у нейтрино возникают такие крошечные массы. Другие частицы в стандартной модели приобретают массу, взаимодействуя с полем Хиггса, энергетическим полем, которое заполняет все пространство и затягивает массивные частицы. Но для нейтрино «масса настолько мала, что ученым необходимо разрабатывать новую теорию, чтобы объяснить это», - сказал Парно.

Выяснение того, как нейтрино приобретают массу, может решить другие, казалось бы не особо связанные тайны Вселенной, например, почему во вселенной больше вещества, чем антивещества. Конкурирующие на текущий момент теории для механизма генерации массы предсказывают различные значения для трех массовых состояний. В то время как эксперименты по осцилляции нейтрино измеряли различия между массовыми состояниями, такие эксперименты, как KATRIN, являются своего рода чем-то средним и объединяющим для трех состояний. Объединение двух типов измерений может выявить значение каждого массового состояния, отдавая предпочтение одним теориям массы нейтрино по сравнению с другими.

Значение для мировой науки четко определенной массы нейтрино

Масса нейтрино также имеет космическое значение. Несмотря на ничтожную массу данной частицы, во время Большого взрыва родилось так много нейтрино, что их коллективная гравитация повлияла на то, как все вещество во вселенной сгруппировалось в звезды и галактики.

Примерно через секунду после Большого взрыва нейтрино летали почти со скоростью света - настолько быстро, что избежали гравитационного притяжения другой материи. Но затем они начали замедляться, что позволило им образовываться в различные конструкции, такие как атомы, звезды и даже галактики. Причина, по которой нейтрино начали замедляться, зависит от их массы. Наиболее тяжелые нейтрино замедлились бы раньше и при другом стечении обстоятельств вместо галактики могло образоваться что-то совершенно отличное от того, что мы имеем сейчас.

Измеряя распределение различных объектов в космосе, космологи уже определили теоретическую массу нейтрино. Но этот косвенный метод основан на предположении, что существующие на сегодняшний момент модели космоса верны, поэтому, если реальное измерение массы нейтрино даст ответ, отличный от теоретических знаний, это может указывать на то, что многие космологические теории ошибочны.

Как проходит эксперимент KATRIN

Эксперимент KATRIN взвешивает нейтрино с использованием трития - тяжелого изотопа водорода. Когда трижды подвергается бета-распаду, его ядро испускает электроны и нейтрино взаимодействует с ним. измеряя энергию наиболее энергичных электронов, физики могут рассчитать из затраченной энергии массу (или в действительности, взвешенное среднее из трех составляющих масс) - электронного нейтрино.

«Если KATRIN найдет массу около 0,2 или 0,3 эВ, космологам будет трудно согласовать свои наблюдения», - говорит Марилена Ловерде, космолог из Университета Стони Брук.

Одним из возможных объяснений может быть какое-то новое явление, которое вызывает космологическое влияние массы нейтрино со временем. Например, возможно, нейтрино распадается на еще более легкие неизвестные частицы, чьи скорости ближнего света делают их неспособными объединять вещество вместе. Или, может быть, механизм, который дает массу нейтрино, изменился за всю космическую историю.

Как проходит эксперимент KATRIN

Если, с другой стороны, масса нейтрино близка к тому, что предсказывают космологические наблюдения, KATRIN не будет достаточно точным для ее измерения. Он может только весить нейтрино, которые имеют массу больше 0,2 эВ. Если нейтрино легче, физикам понадобятся более чувствительные эксперименты, чтобы приблизиться к их массе и решить вопросы физики и космологии частиц. Три потенциально более чувствительных проекта - Проект 8, Электронный захват на гольмии и HOLMES - уже собирают данные с помощью альтернативных инструментов.

Автор статьи: Маркус Ву - научный журналист из Сан-Франциско. Его работы появились в WIRED, New Scientist, National Geographic, Smithsonian, NPR, BBC и других публикациях.

Студзона перевела для Вас статью из журнала Quanta Magazine Abstractions.

Зарегистрируйся и получи 50 Вт. ?