Будущее физики - за массивными нейтрино

В этом году Нобелевскую премию по физике дали именно им, но эта история только начинается. Если вы хотите описать Вселенную, в которой мы живем сегодня, с точки зрения физика, нужно понять только три вещи:

• какие различные типы частиц могут в ней находиться,
• какие законы управляют взаимодействиями между всеми этими различными частицами,
• какими были изначальные условия, с которых началась Вселенная.

Если ученый получит все это и у него будет достаточно вычислительной мощности, он сможет воспроизвести всю целостность Вселенной, в которой мы оказались сегодня, ограниченной только квантовой неопределенностью, присущей нашему опыту.

В 1960-х годах, вместе с появлением Стандартной модели элементарных частиц, нам стало известно многое о частицах и их взаимодействии, включая шесть кварков, три заряженных лептона, три безмассовых нейтрино, один фотон для электромагнитной силы, три W- и Z-бозона для слабого взаимодействия, восемь глюонов для сильного взаимодействия, с ними бозон Хиггса, который дает массу фундаментальным частицам во Вселенной. Наряду с гравитацией, которая определяется общей теорией относительности Эйнштейна, это представляет собой полный набор поведения каждой отдельной частицы, которые мы когда-либо обнаруживали напрямую.

Есть некоторые загадки в нашей Вселенной, которых мы не понимаем (пока):

• почему материи больше, чем антиматерии;
• почему есть СР-нарушение в слабых взаимодействиях, но не в сильных;
• какова природа темной материи во Вселенной;
• почему у фундаментальных констант и масс частиц такие значения;
• откуда берется темная энергия.

Для частиц, которые у нас есть, Стандартная модель отвечает на все вопросы. Или, скажем так, Стандартная модель включает их всех, пока мы не начинаем смотреть на почти невидимые сигналы, поступающие от Солнца: нейтрино.

Солнце работает на ядерном синтезе, в процессе которого ядра водорода сливаются вместе в гелий при невероятных температурах и энергиях в ядре Солнца. В процессе этого они излучают огромные объемы энергий в форме фотонов и энергетических нейтрино. На каждые четыре протона, которые вы сливаете в ядра гелия - в цепной реакции синтеза на Солнце - вы получаете два нейтрино. Если точно, вы производите два антиэлектронных нейтрино, особый тип нейтрино.

Тем не менее, когда мы подсчитываем, сколько должно быть произведено нейтрино, и рассчитываем, сколько мы должны были бы наблюдать на Земле с применением наших современных технологий, мы видим лишь треть ожидаемого числа: порядка 34%.

На протяжении 1960-х, 70-х, 80-х и 90-х годов большинство ученых раскритиковали либо экспериментальные процедуры, которые применялись для обнаружения этих нейтрино, либо модель Солнца, утверждая, что где-то мы ошибаемся. Но по мере того, как улучшались теории и эксперименты, начали всплывать и эти результаты. Казалось, нейтрино каким-то образом исчезают. Была предложена также радикальная теория: что есть какая-то новая физика за пределами Стандартной модели, которая дает крошечную, но ненулевую массу всем нейтрино, что позволяет им смешиваться. Когда они проходят через материю и взаимодействуют - даже слабо - с ней, эта смесь приводит к тому, что один тип нейтрино (электронного, мюонного или тау) осциллирует в совершенно другой.

И только когда мы получили возможность выявить другие типы нейтрино, благодаря эксперименту Супер-Камиоканде и нейтринной обсерватории Садбери, мы узнали, что эти нейтрино никуда не пропадали на самом деле, а переходили из одного аромата (электронного типа) в другой (мюонный ли тау-тип). Теперь мы знаем, что все нейтрино рождаются электронными, но к моменту достижения Земли делятся на три равных доли по типам. Кроме того, из этих экспериментов мы измерили их массы, выяснив, что они составляют меньше одной миллионной массы другой самой легкой частицы: электрона.

Нобелевская премия по физике 2015 года, присужденная буквально неделями ранее, ушла этому открытию. Да, нейтрино осциллируют из одного типа в другой, и да, у них есть масса. Но истинная причина премии в том, что впервые у нас есть свидетельство того, что частицы в Стандартной модели - известные, обнаруженные частицы во Вселенной - имеют свойства, которых Стандартная модель не описывает вовсе.

Впереди предстоит еще много физических открытий, и это первые намеки на то, чем эти открытия могут стать. Таким образом, хотя высокие энергии и БАК ничего пока не показали, самые низкомассовые частицы показывают нам, что есть гораздо больше того, что мы знаем сейчас. И это тайна, которая, как ожидается, только становится глубже, если, конечно, ей заниматься.