Физики исключили обыденное объяснение странных результатов старого советского эксперимента, оставив открытой возможность того, что результаты указывают на существование новой фундаментальной частицы. Комментарий Сохранить статью Прочитать позже
Галлий иногда превращается в германий, но не так часто, как ожидалось.
Введение
В глубине Кавказских гор, на границе между Россией и Грузией, проводится необычный эксперимент. В подземной лаборатории, защищенной каменной стеной, в резервуаре с жидким галлием находится высокорадиоактивное вещество, испускающее частицы, называемые нейтрино, которые расщепляют галлий на атомы германия.
Цель состоит в том, чтобы разгадать малоизвестную загадку физики: галлиевую аномалию. «Я думаю, это одна из самых убедительных аномалий в нейтринной физике, которые мы имеем сегодня», — сказал Бен Джонс, физик-нейтринист из Техасского университета в Арлингтоне. Около тридцати лет назад, в предыдущей версии текущего эксперимента, ученые впервые обнаружили дефицит ожидаемых атомов германия, который до сих пор не может быть объяснен.
С тех пор физики работали над исключением возможных ошибок измерений или неточностей, которые могли бы объяснить аномалию. Теперь они исключили еще одну. Эрик Норман, физик-ядерщик из Калифорнийского университета в Беркли, и его коллеги объявили, что одно из возможных объяснений — неверный расчет периода полураспада германия — не может быть причиной.
«Период полураспада указан верно, — сказал Норман. — Но это не объясняет аномалию галлия».
Это оставляет мало возможностей. Одна из них — это какой-то пока неизвестный экспериментальный дефект, вызвавший аномалию. Возможно, искажение результатов вызвано другой ошибкой измерения или неправильным пониманием ядерной физики. Или, может быть, аномалия указывает на монументальное открытие — существование нового типа элементарных частиц, называемых стерильными нейтрино. Первоначально стерильные нейтрино были предложены для объяснения того, почему массы трех известных нейтрино так малы, но они также могут объяснить, по крайней мере, часть невидимой «темной материи», заполняющей космос.
«Мы не обнаружили какой-то огромной неопределенности в наших экспериментальных процедурах», — сказал Владислав Баринов, физик-частиц из Института ядерных исследований Российской академии наук, работающий над экспериментом на Кавказе. «Это новый тип нейтрино? Мы не знаем».
Нейтрино Вилладж
В разгар холодной войны, до падения Берлинской стены в 1989 году и последующего распада Советского Союза, возникло неожиданное партнерство в виде эксперимента под названием SAGE, советско-американского галлиевого эксперимента. «В Советском Союзе была феноменальная группа ученых-теоретиков», — сказал Стивен Эллиотт, физик-ядерщик из Национальной лаборатории Лос-Аламоса, работавший над проектом. Но им не хватало денег и доступа к определенным технологиям, которые сделали бы SAGE возможным, сказал он. «Лос-Аламос смог предоставить эти ресурсы».
В течение последних полувека физики изучали нейтрино в экспериментах, проводимых глубоко под землей в Баксанской нейтринной обсерватории в Кавказских горах России. В лаборатории, где проводится эксперимент BEST, рыбы служат системой раннего предупреждения о любых утечках радиации.
Установку SAGE построили в Баксанской нейтринной обсерватории, комплексе для изучения нейтрино, возведенном в 1960-х и 1970-х годах внутри горы в Баксанской долине России, примерно в 5 километрах от грузинской границы. Гора Андырчи высотой 4000 метров защищала установку от космических лучей и других источников шума, что позволяло проводить точные эксперименты с нейтрино.
В расположенном неподалеку жилом районе, называемом Нейтринной деревней, проживали семьи ученых, работавших на объекте, а также приезжие ученые из других стран, такие как Эллиот. «Я совершил несколько поездок», — сказал он. «Это было настоящее приключение».
Проект SAGE начался в 1989 году и продолжался более 20 лет, несмотря на попытки российского правительства продать свой галлий — драгоценный металл, находящийся в жидком состоянии при комнатной температуре. Проект был разработан для исследования проблемы солнечных нейтрино — измеренного дефицита нейтрино, исходящих от Солнца. В частности, ученые обнаружили нехватку электронных нейтрино, одного из трех известных типов, или «ароматизаторов». Эта проблема была окончательно решена в 2000-х годах благодаря открытию, удостоенному Нобелевской премии, о том, что нейтрино колеблются между различными типами по мере своего движения. К тому времени, когда многие электронные нейтрино от Солнца достигают Земли, они уже превратились в нечто другое.
В эксперименте SAGE использовался резервуар с 57 метрическими тоннами галлия. Прибывающие электронные нейтрино периодически соединялись с нейтроном внутри атома галлия, превращая его в протон и, таким образом, превращая галлий в германий. Ученые подсчитывали атомы германия в течение месяца, в процессе экстракции. Для эксперимента они выбрали галлий, потому что у него «низкий порог для этой реакции», — сказал Эллиотт. Аналогичный эксперимент, получивший название Gallex, начался в Италии в 1991 году.
На фотографии исследователь, участвовавший в эксперименте Gallex, проводившемся в 1990-х годах в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии, держит в руках устройство, называемое пропорциональным счетчиком, которое использовалось для обнаружения атомов германия.
В середине 1990-х годов исследователи доработали оба эксперимента, чтобы использовать нейтрино от радиоактивных элементов. Они надеялись избежать неизвестных ошибок, связанных с проблемой солнечных нейтрино. Но оба эксперимента произвели примерно на 20% меньше германия, чем ожидалось — неожиданные результаты, которые никак не могли быть вызваны проблемой солнечных нейтрино. «Они точно знали активность источника и количество производимых нейтрино», — сказал Инвук Ким, физик-ядерщик из Лос-Аламоса. Вскоре это загадочное несоответствие получило название: галлиевая аномалия. «Это было действительно удивительно», — сказал Баринов.
В рамках последующего эксперимента, начатого в Баксане в 2014 году и получившего название Баксанский эксперимент по стерильным переходам (BEST), вместо одной галлиевой камеры используются две, чтобы определить, можно ли объяснить аномалию расстоянием от источника нейтрино. «Эксперимент BEST был создан для разрешения этого противоречия», — сказал Баринов, работающий над экспериментом с 2015 года. Но обе камеры продолжают демонстрировать несоответствие предсказаниям моделей. «Это действительно необычный результат», — сказал он.
Теория периода полураспада
Повторные результаты эксперимента BEST продолжают демонстрировать аномалию, по крайней мере, в 2022 году. В одной камере содержалось лишь 79% от ожидаемого количества германия, в другой — только 77%. «Все надеялись, что эта аномалия исчезнет», — сказал Вик Хакстон, физик-теоретик из Беркли. «До сих пор нет четкого понимания того, что происходит».
Было выдвинуто возможное объяснение: период полураспада германия-71 (конкретного изотопа, полученного в эксперименте), измеренный в 1985 году и составлявший 11,43 дня, на самом деле был больше. Эта же константа контролирует скорость распада германия-71 и скорость захвата галлием нейтрино для образования германия. Это означает, что более длительный период полураспада германия-71 подразумевает более низкую скорость захвата нейтрино и, следовательно, образования германия, что может объяснить отсутствие германия, обнаруженного SAGE, Gallex и BEST.
Владислав Баринов, физик-ядерщик из Института ядерных исследований Российской академии наук, входит в группу, сообщившую об аномальных результатах эксперимента BEST.
В конце мая Норман и его коллеги опубликовали повторное исследование этого периода полураспада в журнале Physical Review C. Используя ядерный реактор в Центре ядерных исследований Макклеллана при Калифорнийском университете в Дэвисе, они облучили «очень чистый германиевый материал», — сказал Норман, — получив германий-71. Затем они анализировали образцы в течение 80 дней, чтобы определить, сколько времени требуется атомам для распада.
Они получили период полураспада 11,468 дня, что чрезвычайно близко к измерению 1985 года, исключая период полураспада как объяснение аномалии галлия. Хотя никто никогда до конца не верил в то, что первоначальное измерение периода полураспада было совершенно неверным, исследователи все же сочли его достойным проверки. «Это было измерение, которое необходимо было провести», — сказал Джонс.
Другое предложенное объяснение заключалось в том, что физики неправильно рассчитали вероятность взаимодействия нейтрино из источника с галлием. Но в сентябре 2023 года Хакстон и его коллеги также исключили эту возможность. «От аномалии не избавиться», — сказал он.
Это ставит физиков в неудобное положение. Либо до сих пор существует какая-то ошибка, о которой никто не подумал, либо, как выразился Хакстон, «с нейтрино происходит что-то необычное». Например, эксперименты могут указать на спорный дополнительный тип нейтрино, не обнаруженный большинством других экспериментов, который также может помочь объяснить существование темной материи.
Стерильные нейтрино
Три известных типа нейтрино, каждое из которых в миллионы раз легче электрона, взаимодействуют с другими элементарными частицами посредством слабого взаимодействия, что делает их обнаруживаемыми. Стерильные нейтрино, с другой стороны, взаимодействовали бы только посредством гравитации. Если они намного тяжелее известных нейтрино, их существование могло бы объяснить, почему известные нейтрино такие легкие, посредством обратной зависимости, выдвинутой примерно в 1980 году и называемой механизмом качелей.
Экспериментальная установка, использованная в экспериментах SAGE и BEST в Баксанской нейтринной обсерватории.
Однако галлиевая аномалия указывает на более лёгкий стерильный нейтрино, причём электронные нейтрино, испускаемые радиоактивным источником, иногда осциллируют в стерильный нейтрино, который не взаимодействует с галлием.
В некоторых моделях легкие стерильные нейтрино могут составлять часть темной материи Вселенной, хотя и не всю, поскольку они слишком легкие, чтобы гравитационно формировать Вселенную так, как это делает темная материя. «Они могут составлять лишь небольшую ее часть», — сказал Линдли Уинслоу, экспериментальный физик-ядерщик и физик элементарных частиц из Массачусетского технологического института.
Однако другие попытки обнаружить стерильные нейтрино путем изучения закономерностей нейтринных осцилляций в основном оказались безуспешными. Число исследователей, поддерживающих теорию легких стерильных нейтрино, «похоже сокращается», — сказал Уинслоу. Кеворк Абазаджян, астрофизик из Калифорнийского университета в Ирвайне, сказал, что они являются «аутсайдерами в сообществе физиков элементарных частиц».
Если они действительно существуют, то легкие стерильные нейтрино «нанесут сокрушительный удар» по нашему нынешнему пониманию космологии, сказал Абазаджян, включая представления о том, как атомы образовались в первые минуты после Большого взрыва, и теорию космического микроволнового фона — остаточного тепла от первоначального расширения Вселенной. «Можно было бы ожидать присутствия этих дополнительных нейтрино», — сказал Абазаджян. Однако он добавил, что недавние исследования показали, что альтернативные модели последовательности событий в первые минуты «могут объяснить существование легких стерильных нейтрино».
В отсутствие других объяснений галлиевой аномалии, остаются возможными легкие стерильные нейтрино, которые мы просто не можем исключить. «Я был несколько скептически настроен к гипотезе о стерильных нейтрино, но я не могу сказать, почему она неверна», — сказал Эллиотт. «Никогда не было убедительного объяснения того, почему эксперимент может быть ошибочным».
Хотя вторжение России в Украину «усложнило ситуацию», — сказал Эллиотт, — сотрудничество между США и Россией по проекту BEST пока продолжается. Баринов говорит, что команда в Баксане рассматривает возможность использования нового источника нейтрино, такого как цинк, для дальнейшей проверки результата. Они даже могут построить третью камеру из галлия вокруг источника. Пока что аномалия остается нерешенной, и никаких признаков ее разрешения в ближайшем будущем нет. «Это всех нас озадачивает», — сказал Хакстон.
Источник: www.quantamagazine.org
