Что такое частицы нейтрино и почему человечество не может их изучить?

Исследования нейтрино

Нейтрино изучается в десятках лабораторий мира (см. неполный список экспериментов в физике нейтрино).

Дефицит солнечных нейтрино

Ядерные реакции, происходящие в ядре Солнца, приводят к образованию большого количества электронных нейтрино. При этом измерения потока нейтрино на Земле, которые постоянно производятся с конца 1960-х годов, показали, что количество регистрируемых солнечных электронных нейтрино приблизительно в два-три раза меньше, чем предсказывает стандартная солнечная модель, описывающая процессы в Солнце. Это рассогласование между экспериментом и теорией получило название «проблема солнечных нейтрино» и более 30 лет было одной из загадок солнечной физики.

Предлагалось два главных пути решения проблемы солнечных нейтрино. Во-первых, можно было модифицировать модель Солнца таким образом, чтобы уменьшить предполагаемую термоядерную активность (а, значит, и температуру) в его ядре и, следовательно, поток излучаемых Солнцем нейтрино. Во-вторых, можно было предположить, что часть электронных нейтрино, излучаемых ядром Солнца, при движении к Земле превращается в нерегистрируемые обычными детекторами нейтрино других поколений (мюонные и тау-нейтрино).

Сегодня понятно, что правильным, скорее всего, является второй путь, то есть различные виды нейтрино могут преобразовываться друг в друга; это так называемые нейтринные осцилляции, в пользу которых свидетельствуют наблюдения и угловой анизотропии атмосферных нейтрино, а также проведённые в начале этого века эксперименты с реакторными (см. KamLAND) и ускорительными нейтрино.

Кроме того, существование нейтринных осцилляций напрямую подтверждено опытами в Садбери, в которых были непосредственно зарегистрированы солнечные нейтрино всех трёх сортов[источник не указан 3487 дней] и было показано, что их полный поток согласуется со стандартной солнечной моделью. При этом только около трети долетающих до Земли нейтрино оказывается электронными. Это количество согласуется с теорией, которая предсказывает переход электронных нейтрино в нейтрино другого поколения как в вакууме (собственно «нейтринные осцилляции»), так и в солнечном веществе («эффект Михеева — Смирнова — Вольфенштейна»).

Сообщение о возможном превышении скорости света

22 сентября 2011 года коллаборация OPERA объявила о регистрации возможного превышения скорости света мюонными нейтрино (на 0,00248 %). Нейтрино от ускорителя SPS (ЦЕРН, Швейцария) якобы прибывали к детектору (находящемуся на расстоянии 730 км в подземной лаборатории Гран-Сассо, Италия) на 61±10 наносекунд раньше расчётного времени; это значение получено после усреднения по 16 тыс. нейтринных событий в детекторе за три года. Физики обратились к своим коллегам с просьбой проверить результаты в подобных экспериментах MINOS (лаборатория Fermilab возле Чикаго) и T2K (Япония).

Менее чем за месяц в архиве препринтов появилось около 90 статей, предлагающих возможные объяснения зарегистрированного эффекта.

23 февраля 2012 года коллаборация OPERA сообщила об обнаружении двух ранее неучтённых эффектов, которые могли иметь влияние на процесс измерения времени полёта нейтрино. Для проверки степени влияния данных эффектов на результаты измерений было решено провести новые эксперименты с нейтринными пучками.
Проведённые в ноябре-декабре 2011 года независимые измерения в той же лаборатории (эксперимент ICARUS) сверхсветовых скоростей нейтрино не обнаружили.

В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стала техническая ошибка (плохо вставленный разъём оптического кабеля, что приводило к задержке в часах на 73 наносекунды).

Упругое когерентное рассеяние нейтрино

В 2017 году экспериментально обнаружено упругое когерентное рассеяние нейтрино. Используя этот эффект, можно создавать небольшие переносные детекторы нейтринного излучения.

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

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.

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.

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).

Может ли нейтрино взаимодействовать в антиматерией?

Для того, чтобы суметь ответить на вопросы о природе антиматерии, команда исследователей во главе с Кристофером Можером не так давно опубликовала результаты первого набора экспериментов, направленных на изучение свойств нейтрино. Так, согласно планам ученых, уже в самое ближайшее время человеком может быть проведен особый глубоководный нейтринный эксперимента (DUNE), который представляет из себя создание экспериментальной установки для исследований нейтринной науки и физики частиц.

Для того, чтобы понять природу взаимодействия нейтрино и антиматерии, ученые планируют создать уникальный подземный инструмент под названием DUNE

В настоящее время всем известные коллайдеры частиц, такие как Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе, проводят эксперименты на кварках — частицах, которые “конструируют” протоны и нейтроны атомного ядра. Благодаря проведенным экспериментам, были найдены определенные доказательства того, что материя и антиматерия действительно симметричны. Вместе с тем, эксперименты на лептонах — легких, слабовзаимодействующих с материей частицах, намекают на то, что эти частицы могли бы более полно объяснить универсальную асимметрию стандартного вещества и антиматерии.

Проблема с изучением нейтрино заключается в том, что подобные мельчайшие частицы крайне редко взаимодействуют с другими частицами. Обнаружение этих редких взаимодействий означает, что исследователям необходимо изучать большое количество нейтрино в течение длительных периодов времени. Кроме того, постоянный поток мюонов, образующихся в результате взаимодействия космических лучей в верхних слоях атмосферы, может затруднить обнаружение и без того нечастых взаимодействий.

Исследователи считают, что для того, чтобы решить такую проблему, ставящую под угрозу исследование частиц нейтрино, нам необходимо спуститься приблизительно на полтора километра вглубь Земли, построив несколько 10-тонных детекторов и заполнив их изнутри жидким аргоном. Сразу после этого, учеными предлагается запустить в сторону установки пучок нейтрино, который должен быть предварительно сделан в близлежащем ускорителе частиц. По словам авторов программы DUNE, данная установка будет размещена к 2022 году в подземном исследовательском центре Сэнфорда недалеко от Чикаго, и, возможно, именно она сможет помочь в исследовании свойств взаимодействия нейтрино и антиматерии.

Несмотря на то, что исследование частиц нейтрино может занять не один десяток лет, авторы считают, что проект DUNE может не просто ответить на многие кажущиеся неразрешимыми вопросы из области астрофизики, математики и физики частиц, но и даже вполне может содержать в себе ключ к пониманию того, как и почему мы с вами смогли появиться в нашей Вселенной. А вот это уже захватывает.

Сечение реакции аннигиляции электронного нейтрино с антинейтрино

Полевая теория элементарных частиц позволяет определить линейные размеры элементарных частиц, когда известна величина их массы покоя. Так, для покоящейся элементарной частицы (кроме фотона), область пространства (в котором сосредоточено переменное электромагнитное поле, а также значительная часть энергии ее постоянного электрического и магнитного полей) определяется радиусом:

(107)

У группы лептонов, к которой принадлежит электронной нейтрино квантовое число L=1/2, следовательно, ожидаемая величина радиуса будет:

(108)

Здесь в качестве величины массы покоя взято 0,28 эВ. Когда физика установит более точное значение величины массы покоя электронного нейтрино, эту цифру, и все следующие из нее, придется пересчитать.
Высота этой области не зависит от квантового числа L и определяется как равная:

(109)

Как видим, с точки зрения геометрии, электронное нейтрино (а также антинейтрино) следует рассматривать как шар, радиуса r_w, сжатый с полюсов в два раза.

В физике, эффективное сечение определяется как «площадь поперечного сечения такой области пространства около частицы-мишени, при пересечении которой бомбардирующей частицей-точкой со 100 % вероятностью возникает взаимодействие». В нашем случае налетающая частица обладает размерами, того же порядка, что и размеры другой налетающей частицы, с которой она будет взаимодействовать, находясь в веществе Земли, в результате чего произойдет хорошо известная в физике реакция под названием: аннигиляция пары частица-античастица. В результате этой реакции получатся два фотона. Поскольку реакция аннигиляции обязательно должна произойти при прямом столкновении частицы и античастицы, то при расчете эффективного сечения реакции необходимо учесть и ориентации спинов частиц пары. Из полевой теории элементарных частиц следует, что максимальное сечение реакции аннигиляции пары частица-античастица (в нашем случае электронное нейтрино и электронное антинейтрино) будет достигаться при ориентациях спинов каждой частицы, в направлении другой частицы (т.е. спины ка параллельные, так и антипараллельные, но они ориентированы вдоль линии, соединяющей центры обоих частиц). В этом случае сечение будет:

(110)

Сечение для других ориентаций спинов желающие могут рассчитать самостоятельно, оно будет несколько меньше.
Получилась большая, по меркам микромира, величина. Но она относится к случаю медленно двигающихся частиц, а элементарные частицы (с античастицами) в реалии двигаются со скоростью, мало чем отличающейся от скорости света. Полевая теория элементарных частиц не рассматривала изменение размеров релятивистских элементарных частиц и природу их кинетической энергии. Для покоящихся элементарных частиц их линейные размеры обратно пропорциональны величине их массы. Если предположить, что аналогичное имеет место и для релятивистских частиц, то мы получим, что формулы останутся прежними, вот только величина массы в формуле для r_w изменится — это уже будет не масса покоя соответствующей элементарной частицы, а ее релятивистская масса. А поскольку энергии у взаимодействующих частиц будут отличаться, следовательно, будут отличаться и их линейные размеры. В этом случае, сечение реакции пары электронное нейтрино — электронное антинейтрино (условно обозначаемые как 1 и 2) будет:

(111)

где m₁ и m₂ — релятивистские массы аннигилирующих частиц.

Поскольку, при прохождении через вещество коры Земли, электронное нейтрино и антинейтрино будут постепенно терять свою кинетическую энергию, а значит и величину массы, то в результате этого будут увеличиваться их линейные размеры, вследствие чего, согласно (111), и сечение их реакции аннигиляции. Кроме того, надо помнить, что реакторные электронные антинейтрино испускаются с широким спектром энергий от десятых долей до нескольких единиц МэВ. Также неоднороден и спектр энергий солнечных электронных нейтрино. Следовательно: сечение реакции аннигиляции у каждой пары аннигилирующих частиц будет свое собственное и очень сильно зависеть как от источника, так и от пройденного пути, в том числе и от материала и температуры вещества, через которое прошла каждая из двух частиц до начала реакции.

Правонарушители

Помимо предоставления известного источника откалиброванных нейтрино, ускоритель пучков также может производить нейтрино. Это позволяет экспериментаторам искать различия в том, как осциллируют эти два типа частиц. Понимание механики колебаний нейтрино и антинейтрино приоткроет завесу тайны над асимметрией Вселенной: почему она наполнена скорее чем-то, чем ничем?

Физики используют термин заряда-четности, или CP, говоря о симметрии между материей и антиматерией во Вселенной. Если бы не было симметрии, не было бы и Вселенной. Равные части материи и антиматерии, созданные в процессе Большого Взрыва, исчезли бы во вспышке излучения.

Случилось что-то, что склонило чашу весов в нашу пользу. Выяснение этого требует некоторых ключевых цифр, в том числе числовых значений, описывающих смеси между разными ароматами нейтрино.

В 2012 году в ходе эксперимента Daya Bay были проведены первые измерения одного из этих углов смешивания (тета-один-три), в результате чего выяснилось, что он больше нуля. Хотя другие эксперименты пытались уточнить это число, сам факт, что это не ноль, важен, поскольку означает, что нейтрино ведут себя не так, как антинейтрино. Другой угол смешения, CP-нарушающая фаза дельта, также указывает на отличие. Определение значения этой дельты — одна из важных целей LBNE.

LBNE, строительство которого потребует 857 миллионов долларов за 10 лет, будет измерять взаимодействие нейтрино с материей в собственных целях, но это также поможет физикам изучить иерархию масс нейтрино. А знание этих значений позволит физикам изучить CP-нарушение без ошибок.

Мессье возлагает еще большие надежды на это.

Разрушение парадигмы могло бы указать на что-то очень странное: например, на то, что нейтрино являются сами себе антинейтрино (что поместит их в группу так называемых майорановских частиц). Такие «джекил-и-хайд-частички» способны вибрировать в двух разных формах, в зависимости от того, как вы на нее посмотрите. Единственные частицы, которые могут вести себя так же, — это бозоны (фотоны, например).

Физики смогли бы подтвердить, что нейтрино — это майорановские частицы, путем так называемого безнейтринного двойного бета-распада. Обычный радиоактивный распад происходит, когда атомные ядра теряют вес, преобразуя нейтрон в протон и испуская бета-частицы — электроны и нейтрино. Так, например, атом радиоактивного углерода (с восемью нейтронами и шестью протонами) превращается в стабильный азот (по семь каждых частиц). Двойной бета-распад происходит реже, при нем два нейтрона одновременно превращаются в два протона, два электрона и два нейтрино. В этом случае тяжелый изотоп пропускает шаг по периодической таблице. В безнейтринной версии этого события, нейтрон расщепится на электрон и нейтрино, которое тут же абсорбируется другим нейтроном. Этот второй нейтрон также распадется, но только отдает другой электрон. Это может произойти, если нейтрино и антинейтрино — одно, так сказать, лицо. Эксперимент под названием Majorana Demonstrator, который сейчас строится в Южной Дакоте, будет заниматься поисками этих событий, используя детекторы из германия-76.

Детектор LBNE также будет ориентироваться на эти эффекты.

Хотя триллионы частиц будут постоянно протекать через детекторы, нейтрино настолько трудно обнаружить, что аппаратное обеспечение LBNE, NOvA, T2K и других детекторов будет работать годы, прежде чем измерит поведение нейтрино и их ароматы. Даже это потребует определенной ловкости рук: нейтрино не взаимодействуют напрямую, поэтому ученые находят их по крошечным вспышкам света, которые излучают другие частиц, когда нейтрино их поражают. Можете назвать это ароматом аромата частицы.

Детектор Super-K поймал его, наблюдая за вспышками голубого света в огромном чане с водой, излучением Черенкова. Детектор NOvA будет использовать жидкий сцинтиллятор, состоящий из сотен тысяч пластиковых труб, наполненных жидкостью, которая светится, когда частицы проходят через нее. Инженеры Fermilab сконструировали специальных роботов, которые будут ползать по трубам и эффективно их крепить. LBNE будет использовать проверенные методы наблюдения за нейтрино, выверенные в ходе эксперимента ICARUS, которые подразумевают использование сетки под высоким напряжением, погруженной в жидкий аргон.

Обнаружение

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере.

Поскольку нейтрино так редко взаимодействуют с материей, их обнаружение является сложной задачей. Короче говоря, частицы слишком малы и не реактивны для прямого обнаружения. Ученые ищут частицы или излучение, которые можно наблюдать и измерять.

Ван Ганчан предложил в 1942 году использовать бета-захват для экспериментального обнаружения нейтрино. Но только в июле 1956 года Клайд Коуэн, Фредерик Рейнс, Фрэнсис Б. «Кико» Харрисон, Остин Макгуайр и Геральд Круз объявили об открытии частицы.

Открытие нейтрино привело к Нобелевской премии в 1995 году. Нейтринный эксперимент Коуэна-Рейнса включал высвобождение нейтрино, образующихся в результате бета-распада в ядерном реакторе. Эти нейтрино (точнее, антинейтрино) реагировали с протонами, образуя нейтроны и позитроны.

Высокореактивные позитроны быстро столкнулись с электронами. Гамма-лучи, испускаемые при аннигиляции позитронных электронов и образовании нейтронов, свидетельствовали о существовании нейтрино.

Первое нейтрино, обнаруженное в природе, было обнаружено в 1965 году в камере золотого рудника Ист-Рэнд в Южной Африке, на глубине 3 км под землей. Такааки Кадзита и Артур Б. Макдональд разделили Нобелевскую премию по физике 2015 года за открытие нейтринных осцилляций, доказав, что нейтрино имеют массу.

В настоящее время крупнейшим детектором нейтрино является Super Kamiokande-III в Японии.

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.

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

Факты о частице

Нейтрино имеет нейтральный электрический заряд и очень маленькую массу. Его масса оценивается как минимум на шесть порядков меньше массы электрона, масса которого составляет 9,1×10 -31 кг. Точную массу нейтрино еще предстоит измерить.
Ученые подсчитали, что от 2% до 3% солнечной радиации принимает форму нейтрино. Около 99% энергии сверхновой выделяется в виде нейтрино.

Исследователь видит солнце днем и ночью с помощью нейтрино. Они проходят сквозь землю ночью. Основываясь на изображениях нейтрино, астрономы знают, что ядерные реакции происходят только в ядре Солнца, которое составляет 20-25% его самых внутренних участков.
Нейтрино движутся со скоростью, равной скорости света.

Детектор нейтрино Super-Kamiokande, Япония

Нейтринная обсерватория IceCube в Антарктиде

Как и нейтроны, нейтрино вызывают ядерное деление тяжелых ядер. В лабораториях наблюдалось только нейтринное деление дейтерия, но этот процесс, вероятно, происходит в звездах и влияет на изотопное содержание элементов.
Нейтрино реагирует только на гравитацию и слабое ядерное взаимодействие (слабое взаимодействие). Из-за этого он очень редко взаимодействует с материей.

В настоящее время известно три «вкуса» нейтрино: электронное, мюонное и тау. Нейтрино колеблется между этими тремя ароматами. Существуют также частицы антивещества: антиэлектрон (антинейтрино), антимюон и антитау.
Нейтрино очень распространены. Они возникают в результате ядерных реакций. Источники включают солнце и другие звезды, сверхновые, ядерный распад, деление и синтез.

Могут быть и другие ароматы нейтрино. Например, ученые предсказывают существование стерильного нейтрино. Стерильное нейтрино взаимодействует только с гравитацией, но не со слабым ядерным взаимодействием.
Нейтрино могут быть горячей темной материей. То есть они не излучают и не поглощают свет, поэтому кажутся темными. Тем не менее, у них есть энергия, поэтому они горячие.

Детекторы нейтрино, использующиеся в реакторном нейтринном эксперименте Daya Bay (коллаборация, включающая исследователей из Китая, России, США, Тайваня и Чехии)

История открытия

Одно из первых наблюдений взаимодействия нейтрино в пузырьковой камере

Одной из основных проблем в ядерной физике 20-30-х годов XX века была проблема бета-распада: спектр электронов, образующихся при β-распаде, измеренный английским физиком Джеймсом Чедвиком ещё в 1914 году, имеет непрерывный характер, то есть, из ядра вылетают электроны самых различных энергий.

С другой стороны, развитие квантовой механики в 1920-х годах привело к пониманию дискретности энергетических уровней в атомном ядре: это предположение было высказано австрийским физиком Лизой Мейтнер в 1922 году. То есть спектр вылетающих при распаде ядра частиц должен быть дискретным и показывать энергии, равные разницам энергий уровней, между которыми происходит переход при распаде. Таковым, например, является спектр энергий альфа-частиц при альфа-распаде.

Таким образом, непрерывность спектра электронов β-распада ставила под сомнение закон сохранения энергии. Вопрос стоял настолько остро, что в 1931 году знаменитый датский физик Нильс Бор на Римской конференции выступил с идеей о несохранении энергии. Однако было и другое объяснение — «потерянную» энергию уносит какая-то неизвестная и незаметная частица.

Гипотезу о существовании чрезвычайно слабо взаимодействующей с веществом частицы (в качестве объяснения кажущегося нарушения закона сохранения энергии в бета-распаде) выдвинул 4 декабря 1930 г. Вольфганг Паули — не в статье, а в неформальном письме участникам физической конференции в Тюбингене:

Паули назвал предложенную им частицу «нейтрон». Когда Джеймс Чедвик обнаружил гораздо более массивную нейтральную ядерную частицу в 1932 году, то назвал её нейтроном. В результате этого в физике элементарных частиц, этим термином называли две разные частицы. Энрико Ферми, разработавший теорию бета-распада, ввел термин «нейтрино» в 1934 году, чтобы разрешить путаницу. Слово нейтрино с итальянского переводится как «нейтрончик».

На Сольвеевском конгрессе 1933 года в Брюсселе Паули выступил с рефератом о механизме β-распада с участием лёгкой нейтральной частицы со спином ½. Это выступление было фактически первой официальной публикацией, посвящённой нейтрино.

Нейтрино было экспериментально обнаружено в 1956 году командой под руководством Клайда Коуэна и Фредерика Райнеса.

Что не так с нейтрино?

Однако, самое странное свойство нейтрино заключается в том, что им не обязательно заканчивать свое путешествие точно такими же, какими они его начинали.

В 1998 году 11 000 фотоумножителей подземного детектора «Супер-Камиоканде» в Японии подтвердили, что суть нейтрино, спускающихся из атмосферы и прошедших сквозь Землю, отличается. По дороге от Солнца они изменили тип, выбрав один из трех вариантов. Это колебание указало на то, что у нейтрино действительно есть масса. Если бы у них ее не было, больше выбирать было бы не из чего.

Узнать об этих частицах хоть что-то было крайне трудно, поскольку нейтрино сложно обнаружить и произвести. Но в настоящее время есть несколько способов сделать это. Экспериментаторы могут захватить немного на пути от Солнца, как тот самый японский детектор и другие его коллеги. Или же они могут разместить детекторы рядом с ядерными реакторами, которые производят электронные антинейтрино. Наконец, физики могут запустить ускорители частиц и столкнуть протоны с кусочками графита, в процессе этого создавая потоки нейтрино. Последнему эксперименту еще предстоит случиться. Искусственные нейтрино легче захватить, чем их неуловимых родственников, но из-за их квантовой природы обнаружение нейтрино является вероятностной задачей.

Ароматы нейтрино — электрон, мюон и тау — не являются отдельными индивидуальными частицами, а комбинациями разных масс нейтрино. Эти массы связаны с энергиями нейтрино, как Эйнштейн учил нас в E=mc². Хотя нейтрино могут родиться с определнной энергией, а значит и с определенным ароматом (Солнце, например, производит множество электронных нейтрино), квантовое состояние этих нейтрино представляет собой смесь всех трех, закрученную во времени. «Они просто по своей сути квантово-механические. Если я дам вам электрон и спрошу через десять минут, остался ли электрон в вашей руке, ответом будет «да», — говорит Мессье. — А вот нейтрино — нет».

В прошлом месяце японские экспериментаторы продемонстрировали этот колебательный эффект, обнаружив, что нейтрино более яркие ночью. По мере того, как электронные нейтрино летят потоком от Солнца в направлении Земли, они колеблются между мюон- и тау-нейтрино. Но после того, как они проходят через плотную материю нашей планеты, некоторые из них меняются в обратную сторону. Это говорит о том, что некоторые квантово-механические трансформации происходят во время взаимодействия с веществом на Земле, в частности с электронами. По словам Мессье, электронные нейтрино могут обмениваться с W-бозоном, носителем слабой силы, во время этого взаимодействия.

Эксперимент LBNE займется рассмотрением этих связанных с материей эффектов, которые приводят к появлению капель электронных нейтрино посреди душа из мюон-нейтрино. Ускорители Fermolab будут посылать нейтрино на полторы тысячи километров в детектор с жидким аргоном, погребенным под Южной Дакотой. Это позволит физикам не только изучить эффекты материи, но и выяснить, какая материя взаимодействует с нейтрино в первую очередь.

Уилсон отмечает, что этот крошечный эффект имеет важные последствия для асимметрии между веществом и антивеществом.

Как насчет собственной массы нейтрино? Стандартная модель не может объяснить и это. Физики смогли только сказать, что нейтрино отличаются друг от друга, но никакой конкретики. Мы не знаем, какие нейтрино самые тяжелые, а какие — самые легкие. Детектор под названием NuMO Off-axis ve Appearance, или NOvA, поможет определить массовую иерархию нейтрино. NuMI — это пучок нейтрино из Fermilab; 14000-тонный детектор NoVA будут следить за несоответствием между отходящими мюон-нейтрино и прибывающими электрон-нейтрино.

Даже если в ходе этих экспериментов удастся генерировать новые данные о массе, физики не смогут точно сказать, как эта масса возникает. Поскольку нейтрино легче любых других частиц, вряд ли механизм Хиггса будет наделять их массой, как это происходит с другими частицами.

«Должен быть какой-то механизм, который определяет их массы, — говорит Мессье. — Но какие массы? Какому порядку они следуют? Каков порядок смешения? Это запустит целый ряд экспериментальных программ, которые еще больше усугубят проблемы Стандартной модели».

LBNE, NOvA и другие предстоящие эксперименты растянут эти трещины, пока Стандартная модель полностью не рухнет. И на руинах ученые надеются построить новую теорию физики.

Откуда берутся нейтрино и антинейтрино

Нейтрино чаще всего возникают в качестве побочного продукта из-за высокоэнергетических ядерных реакций – столкновений протонов и других частиц. Антинейтрино же, по словам Джошуа Клейна, одного из ведущих специалистов, обычно создаются искусственно, например, в ядерных реакторах – в результате радиоактивных взаимодействий, направленных на расщепление атомных ядер. По этой причине ядерные реакторы могут генерировать большое количество антинейтрино, что делает их идеальным объектом для их исследования.

Комната с множеством датчиков постоянно фиксирует прохождение частиц