Поиск ключа к загадке малой массы нейтрино — это одновременно и поиск новых частиц

Нейтрино — это побочные продукты астрономических событий, порождающих и поддерживающих жизнь.

Они появляются в реакциях ядерного синтеза внутри Солнца и излучаются сверхновыми звездами. У них нет заряда и удивительно небольшая масса. Они вторые по распространенности частицы во Вселенной (после фотонов), и триллионы их проходят через ваше тело каждое мгновение.

Тем не менее, о нейтрино до сих пор многое неизвестно.

Среди многих открытых вопросов о нейтрино — как именно они приобретают свою массу; Стандартная модель физики частиц не дает ответа на этот вопрос. Многие теории, объясняющие малую массу нейтрино, также предсказывают существование новых, не открытых пока частиц, поэтому один из способов проверить эти теории — искать эти частицы.

Обретение массы с помощью поля Хиггса

Большинство фундаментальных частиц — кварки и лептоны — приобретают массу благодаря взаимодействию с полем Хиггса. Некоторые частицы, например массивный топ-кварк, взаимодействуют с полем Хиггса сильнее, в то время как другие частицы, например лёгкий электрон, взаимодействуют слабее.

Если нейтрино обретают свою массу благодаря полю Хиггса, то они, по-видимому, взаимодействуют с ним в ещё меньшей степени, чем электрон — гораздо меньшей; масса нейтрино примерно в миллион раз меньше, чем у электрона.

Уже одно это кажется учёным странным. Но есть и другая причина, по которой они задаются вопросом, получает ли нейтрино свою массу от поля Хиггса.

Когда частица взаимодействует с полем Хиггса, последнее меняет «хиральность» этой частицы — направление её спина и движения. Когда «правосторонний» электрон взаимодействует с полем Хиггса, он становится «левосторонним» электроном. Когда левосторонний электрон взаимодействует с полем Хиггса, происходит обратное.

Но, насколько удалось выяснить учёным, все нейтрино левосторонние.

Похоже, с ними происходит что-то ещё, и у физиков есть десятки теорий на этот счёт.

«Это мнимое богатство, — говорит Тао Хань, физик-теоретик из Питтсбургского университета. — У нас множество теорий, но мы ещё не знаем, какая из них отражает истинную природу вещей».

Качели для получения новой частицы

Возможно, самое простое объяснение заключается в том, что правосторонние нейтрино существуют, просто учёные их ещё не увидели.

А вот сложность с этим объяснением заключается в том, что эти правосторонние нейтрино должны были бы сильно отличаться от известных нам. В то время как нейтрино почти безмассовые, правосторонние нейтрино, вероятно, должны быть гораздо массивнее, чем даже самая тяжёлая фундаментальная частица — топ-кварк.

Объяснение этому – «механизм качелей», предсказывающий, что тяжёлые правосторонние нейтрино служат причиной того, что левосторонние нейтрино такие легкие; правосторонние нейтрино удерживают одну сторону метафорических качелей. Всё сводится к математике того, что физики называют собственным значением, свойством поведения системы. Модель качелей предполагает, что нейтрино имеет два собственных значения, и если одно из них мало, то другое должно быть большим, чтобы это компенсировать.

Физики предложили множество версий и вариаций этого механизма. В одном из них правостороннее нейтрино было бы настолько тяжёлым, что его можно было бы найти только в ранней Вселенной, когда всё вокруг было насыщено достаточным количеством энергии, чтобы электромагнитные, слабые и сильные силы объединились в одну. И теория, объединяющая эти силы, Теория Великого объединения (ТВО), уже предсказывает существование правосторонних нейтрино.

Подобный тип рассуждений привлекает физиков-теоретиков, таких как Му-Чун Чен. «Это объясняет, почему масса правостороннего нейтрино должна быть большой и привязаной к масштабам ТВО, — говорит Чен, профессор Калифорнийского университета в Ирвайне. — Это очень элегантное решение».

Вторая версия механизма качелей также предсказывает новый вид бозона Хиггса, который позволит левостороннему нейтрино соединяться с самим собой и косвенно взаимодействовать с новой частицей Хиггса для получения массы. Эта новая частица Хиггса будет намного тяжелее, и будет играть роль тяжёлого конца качелей. Подобная теория привлекает Хана, поскольку вопросы, связанные с полем Хиггса, «всё ещё таят достаточно загадок».

«Почему у нас должна быть только одна частица, которая отвечает за создание массы? — говорит он. — У нас есть разница в пятнадцать порядков между самой лёгкой частицей и самой тяжёлой. Я думаю, что в поле Хиггса есть нечто большее, чем мы видели до сих пор».

Третья версия механизма качелей предсказывает новый набор других массивных частиц материи, которые компенсируют низкую массу нейтрино.

Физики разработали модели, объединяющие эти три варианта, а также другие варианты с «обратными» и «двойными» качелями. Но не все согласны с этими идеями.

Одна из проблем заключается в том, что предсказанные частицы настолько массивны, что физики пока не знают, как построить ускоритель частиц, достаточно мощный для их изучения. Патрик Хубер, физик-теоретик из Virginia Tech, говорит, что механизм «качелей», названный в честь детской игрушки, представляет собой «классический пример теории, которую очень трудно проверить и доказать».

Другая проблема заключается в том, что все модели качелей предсказывают, что нейтрино функционирует как античастица для самой себя. До сих пор учёные не видели доказательств того, что это так. А если бы это было так, то это нарушало бы другой закон физики, называемый сохранением лептонного числа.

Необходимо вести поиски повсюду, и задавать правильные вопросы

Не все теории, объясняющие малую массу нейтрино, связаны с качелями. Другая теория, называемая «излучательной генерацией массы», предполагает, что нейтрино приобретают свою массу благодаря квантовым эффектам виртуальных частиц. Но для работы такой генерации массы также необходимо существование новых частиц.

До сих пор ни с одной из этих моделей экспериментальные данные напрямую не соотносились.

«Физика массы нейтрино похожа на физику темной материи, в том смысле, что мы почти не знаем, что такое тёмная материя, — говорит Педро Мачадо, физик-теоретик из Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми Министерства энергетики США. — Когда речь идёт о моделях массы нейтрино, их популярность не аргумент. Все жизнеспособные модели одинаково хороши с точки зрения данных».

Иными словами, физикам нужно больше данных. «У теории нейтрино ужасный послужной список предсказания чего-либо», — говорит Хубер. «Но мы вот-вот вступим в эру точных нейтринных измерений, которые могут стать инструментом для поисков новой физики. У нас есть теории, и если измерение подтверждает теорию, это очень интересно для того, кто создал теорию. Но если эксперимент обнаружит что-то, чего никто не предсказывал, это будет интересно для всех».

Физические эксперименты по всему миру пытаются понять нейтрино и природу их массы и, возможно, найти признаки новой частицы, которая могла бы помочь объяснить все это. «Поскольку существует так много вариантов, то самое полезное — это закинуть широкую сеть и рассмотреть как можно больше различных возможностей», — говорит Мачадо. Если объяснение выведет физику за рамки нашего нынешнего понимания, говорит он, «тогда это окажется тем, чего мы ждали».