Търсенето на ключа към загадката на неутриното с малка маса

Търсенето на ключа към загадката на неутриното с дребна маса е и търсене на нови частици.

Неутриното е непряк артикул от астрономически събития, които пораждат и поддържат живота.

Тези частици се появяват в реакциите на нуклеарния синтез в Слънцето и се излъчват от свръхновите. Те нямат заряд и имат изненадващо дребна маса. Те са втората най-разпространена парченце във Вселената (след фотоните) и трилиони от тях минават през тялото ви всеки момент.

Въпреки това към момента има доста незнайни неща за неутриното.

Сред многото неизяснени въпроси, свързани с неутриното, е по какъв начин тъкмо то придобива своята маса; Стандартният модел на физиката на обикновените частици не дава отговор на този въпрос. Много от теориите, обясняващи дребната маса на неутриното, плануват и съществуването на нови, към момента неоткрити частици, тъй че един от методите за инспекция на тези теории е да се търсят тези частици.

Придобиване на маса благодарение на полето на Хигс

Повечето фундаментални частици – кварки и лептони – получават маса посредством взаимоотношение с полето на Хигс. Някои частици, като солидния топ-кварк, взаимодействат по-силно с полето на Хигс, до момента в който други частици, като лекия електрон, взаимодействат по-слабо.

Ако неутриното придобива масата си с помощта на полето на Хигс, то наподобява, че взаимодейства с него даже по-слабо от електрона – доста по-слабо; масата на неутриното е към милион пъти по-малка от тази на електрона.

Това единствено по себе си наподобява необичайно за учените. Но има и друга причина, заради която те се питат дали неутриното получава масата си от полето на Хигс.

Когато една парченце взаимодейства с полето на Хигс, то трансформира „ хиралността “ на частицата – посоката на нейния спин и нейното придвижване. Когато един дясноориентиран електрон взаимодейства с полето на Хигс, той се трансформира в лявоориентиран електрон. Когато лявоориентиран електрон взаимодейства с полето на Хигс, се случва противоположното.

Но доколкото учените са съумели да открият, всички неутрино са лявоориентирани.

Изглежда, че с тях се случва нещо друго и физиците имат десетки теории за това.

„ Това е мнимо благосъстояние “, споделя Тао Хан, физик-теоретик от университета в Питсбърг. „ Имаме доста теории, само че към момента не знаем коя от тях отразява същинската природа на нещата “.

Люлка за приемане на нова парченце

Може би най-простото пояснение е, че дясноориентираните неутрино съществуват, само че учените към момента не са ги разкрили.

Но компликацията освен това пояснение е, че тези дясноориентирани неутрино би трябвало да са доста по-различни от познатите ни. Макар че неутриното е съвсем безмасово, дясноориентираните неутрино евентуално би трябвало да са доста по-масивни даже от най-тежката фундаментална парченце – топ кварка.

Обяснението е „ механизмът на люлката„, който предвижда, че тежките дясноориентирани неутрино провокират левоориентираните неутрино да са толкоз леки; дясноориентираните неутрино държат едната страна на метафоричната люлка. Всичко се свежда до математиката на това, което физиците назовават лично значение, свойство на държанието на системата. Моделът на люлката допуска, че неутриното има две лични стойности и в случай че едната е дребна, другата би трябвало да е огромна, с цел да компенсира несъответствията.

Физиците са предложили доста версии и разновидности на този механизъм. В един от тях дясноориентираното неутрино би било толкоз тежко, че би могло да се открие единствено в ранната Вселена, когато всичко в близост е било наситено с задоволително сила, с цел да могат електромагнитните, слабите и мощните сили да се обединят в едно. А теорията, сплотяваща тези сили, Теорията на Великото обединяване (Grand Unified Theory – GUT), към този момент предсказва съществуването на десноориентирани неутрино.

Този вид разсъждения харесват на физиците теоретици като Му-Чун Чен.

„ То изяснява за какво масата на десноориентираното неутрино би трябвало да е огромна и обвързвана с мащаба на GUT “, споделя Чен, професор в Калифорнийския университет в Ървайн. – Това е доста елегантно решение “.

Втората версия на механизма на люлката планува и нов тип Хигс бозон, който ще разреши на лявото неутрино да се комбинира със себе си и индиректно да взаимодейства с новата парченце на Хигс, с цел да придобие маса. Тази нова Хигс парченце ще бъде доста по-тежка и ще работи като тежкия завършек на люлката. Тази доктрина се харесва на Хан, тъй като въпросите за полето на Хигс „ към момента крият задоволително доста загадки “.

„ Защо би трябвало да имаме единствено една парченце, която да основава маса? – споделя той. „ Имаме разлика от петнадесет порядъка сред най-леката и най-тежката парченце. Мисля, че в полето на Хигс има освен това, в сравнение с сме видели до момента “.

Третата версия на механизма на люлката планува нов набор от други солидни частици материя, които компенсират ниската маса на неутриното.

Физиците са създали модели, комбиниращи тези три разновидността, както и други разновидности с „ противоположни “ и „ двойни “ люлки. Но не всички са съгласни с тези хрумвания.

Един от проблемите е, че предсказаните частици са толкоз солидни, че физиците към момента не знаят по какъв начин да построят задоволително мощен ускорител на частици, с цел да ги изследват. Патрик Хубер, физик-теоретик в Техническия университет във Вирджиния, споделя, че „ механизмът на люлката “, наименуван на името на детска играчка, е „ типичен образец за доктрина, която е доста сложна за инспекция и доказване “.

Другият проблем е, че всички модели на тези хипотетични люлки предвиждат, че неутриното действа като античастица на себе си. Досега учените не са видели доказателства, че това е по този начин. А в случай че това е правилно, то би нарушило различен закон на физиката, наименуван опазване на лептонното число.

Необходимо е да се търси на всички места и да се задават верните въпроси

Не всички теории, обясняващи дребната маса на неутриното, включват сходна люлка. Друга доктрина, наречена „ радиационно генериране на маса “, допуска, че неутриното придобива масата си посредством квантовите резултати на виртуалните частици. Но сходно генериране на маса също изисква съществуването на нови частици, с цел да работи.

Досега пробните данни не са били директно съпоставяни с нито един от тези модели.

„ Физиката на масата на неутриното е сходна на физиката на тъмната материя, в смисъл че съвсем не знаем какво е тъмна материя “, споделя Педро Мачадо, физик-теоретик от Националната лаборатория за ускорители „ Ферми “ към Министерството на енергетиката на Съединени американски щати. – Когато става въпрос за моделите на масата на неутриното, тяхната известност не е мотив. Всички жизнеспособни модели са еднообразно положителни от позиция на данните “.

С други думи, физиците се нуждаят от повече данни. „ Теорията за неутриното има ужасни резултати в прогнозирането на каквото и да било„, споделя Хубер. „ Но ние сме на път да навлезем в ерата на точните измервания на неутриното, което може да бъде инструмент за разкриване на нова физика. Имаме теории и в случай че едно премерване удостовери дадена доктрина, това ще е доста забавно за този, който е основал теорията. Но в случай че опитът разкрие нещо, което никой не е планувал, то това ще бъде забавно за всички„.

Чрез най-различни физически опити учените от целия свят се пробват да схванат неутриното и естеството на неговата маса, а може би и да открият признаци на нова парченце, която би могла да помогне да се изясни всичко това.

„ Тъй като има толкоз доста благоприятни условия, най-полезното нещо е да хвърлим една огромна мрежа и да разгледаме допустимо най-вече разнообразни благоприятни условия “, споделя Мачадо. Ако обяснението изведе физиката оттатък настоящето ни схващане, споделя той, „ тогава ще се окаже, че е това, което сме очаквали “.

Всъщност при започване на тази година бе записано антинеутрино на разстояние 240 километра от нуклеарен реактор благодарение на запълнен с вода неутринен детектор – първото потребление на сходно устройство. Детекторът SNO+ е течен сцинтилаторен детектор за проучване на неутрино. Експериментът се организира на 2 км подземен, където множеството частици не могат да обхванат – в мината „ Крайтън “ на компанията Vale покрай Съдбъри, Онтарио, Канада.

Навярно това ще докара до нови глави във физиката на обикновените частици.