Анализ нескольких экспериментов, направленных на обнаружение загадочного нейтрино, выявил признаки нарушения стандартной модели физики элементарных частиц.
Нейтрино редко взаимодействуют с обычной материей. Shutterstock / betibup33
Известные своей загадочностью частицы, называемые нейтрино, возможно, выявили пробел в нашем понимании всех частиц и сил во Вселенной.
Стандартная модель физики элементарных частиц, которая каталогизирует все известные нам частицы и силы, является одним из величайших достижений современной физики, но физики также десятилетиями пытались её опровергнуть. Это связано с тем, что в ней достаточно недостатков – в частности, она не связывает гравитацию ни с одной из трёх других фундаментальных сил – чтобы исследователи заподозрили необходимость разработки другой, более совершенной модели.
Если стандартная модель окажется несостоятельной при стресс-тесте, это укажет на то, с чего следует начать построение следующей модели. Франческа Дордеи из Итальянского национального института ядерной физики (INFN) в Кальяри и ее коллеги выявили одну из возможных проблем, изучив загадочное нейтрино.
«Все проверки [стандартной модели], которые мы проводили в последние два десятилетия, каждый раз упорно подтверждали стандартную модель, а это значит, что нам нужно стремиться к еще более точным результатам. В этом смысле нейтрино — это особые частицы», — говорит Дордеи.
Во-первых, нейтрино обладают невероятно малой массой — настолько малой, что физики когда-то считали их безмассовыми. Более того, они слабо взаимодействуют, а это значит, что они проходят сквозь объекты и тела незамеченными, подобно крошечным призракам. Тем не менее, тщательное изучение позволило выявить некоторые слабые электромагнитные взаимодействия, в которых участвуют нейтрино, которые можно количественно оценить с помощью параметра, называемого радиусом заряда. Нейтрино также могут взаимодействовать с другими частицами посредством слабого ядерного взаимодействия.
Дордей и ее коллеги изучили детали этого взаимодействия и радиус заряда нейтрино в ходе многочисленных экспериментов, проводившихся в последние годы в поисках признаков этих неуловимых частиц. Например, они объединили данные наблюдений нейтрино, образующихся в ядерных реакторах, ускорителях частиц и процессах термоядерного синтеза внутри Солнца. Команда также воспользовалась тем фактом, что некоторые детекторы, созданные для темной материи — таинственного вещества, пронизывающего космос, — также чувствительны к нейтрино.
Член команды Никола Карджиоли, также работающий в INFN, говорит, что объединение всех этих данных было сложной задачей, но позволило получить мощный обзор всего, что мы знаем о нейтрино. «Мы использовали практически все имеющиеся данные», — говорит Кристоф Тернес из Научного института Гран-Сассо в Л'Аквиле, Италия, который также работал над проектом.
Значение радиуса заряда нейтрино не отклонялось от предсказаний стандартной модели, но исследователи обнаружили нечто более интересное, когда рассмотрели слабые взаимодействия частицы. Здесь они выявили «математическое вырождение», что означает, что как стандартная модель, так и немного отличающаяся от неё модель могли бы дать одинаковые результаты. Примечательно, что дальнейший анализ показал, что эта альтернатива стандартной модели может немного лучше соответствовать данным, возможно, указывая на давно искомый пробел в нашем современном понимании физики элементарных частиц.
Новый анализ статистически не достигает уровня однозначного открытия, и исследователи рассматривают его как первый шаг в проверке стандартной модели с помощью нейтрино. Они надеются получить больше данных, которые могли бы подтвердить или опровергнуть их текущие результаты по мере ввода в эксплуатацию новых детекторов в ближайшие несколько лет. Однако, если эта трещина сохранится в будущем, это может иметь серьезные последствия.
«Если мы обнаружим трещину, то, возможно, нам придётся всё переосмыслить», — говорит Карджиоли. Например, новая модель, выходящая за рамки стандартной модели, может включать в себя совершенно новые типы частиц, взаимодействие которых с нейтрино будет соответствовать анализу, проведённому в исследовании команды.
Омар Миранда из Центра исследований и перспективных разработок Национального политехнического института в Мексике говорит, что измерение взаимодействий нейтрино, особенно при очень низких энергиях, как это имеет место в большей части данных нового исследования, является очень сложной задачей и стало возможным лишь недавно благодаря достижениям в технологии детекторов, включая детекторы темной материи. Это действительно подчеркнуло актуальность обнаружения нейтрино как проверки стандартной модели, говорит он.
Новый анализ призывает физиков-частиц к проведению в будущем более точных экспериментов с нейтрино в различных условиях, говорит Хосе Валле из Университета Валенсии в Испании. По его словам, по-прежнему необходимы более точные измерения электромагнитных свойств нейтрино, поскольку они могли бы пролить свет, например, на их внутреннюю структуру.
Журнал Physical Review Letters DOI: 10.1103/dplq-dvc8
ЦЕРН и Монблан, темная и замерзшая материя: Швейцария и Франция
Приготовьтесь быть потрясенными, посетив ЦЕРН, европейский центр физики элементарных частиц, где исследователи работают на знаменитом Большом адронном коллайдере, расположенном недалеко от очаровательного швейцарского города Женева на берегу озера.
Узнать больше
Источник: www.newscientist.com
