Деякі фізики дивуються з того, що два відносно недавніх відкриття привернули стільки уваги: космічна інфляція, постійне розширення Всесвіту, і бозон Хіггса, що дає масу іншим частинкам. Звичайно, відкриття п'янкі і вельми цікаві, але ні для кого не секрет, що вони дуже нудні. Фізики втомилися від Стандартної моделі, і на думку багатьох, для фізики в цілому було б краще, якби бозон Хіггса не знайшли.
Ці відкриття показують, що наші основні теорії, що пояснюють поведінку великого і малого - Великого Вибуху і Стандартної моделі субатомних частинок і сил - точні і добре налагоджені. Але космічна інфляція і бозон Хіггса не допоможуть об'єднати ці явища і відповісти на найглибші космічні питання.
«Стандартна модель, в своєму нинішньому вигляді, не може добре пояснити, чому Всесвіт саме така, якою ми її бачимо», -
говорить Марк Мессьє, професор фізики в Університеті Індіани.
Щоб вийти за межі моделей, які у нас є, за межі Стандартної моделі, нам потрібні результати, яких ми не очікуємо. І коли доходить до несподіваних результатів, ми бачимо тільки одне: нейтрино. Ці частинки поширені і дуже дивні, і вони постійно нас бомбардують.
Будучи практично ефемерними, нейтрино можуть серйозно змінити наше бачення Всесвіту, якби фізики могли відповісти на чотири головних питання:
- Як звичайна матерія впливає на нейтрино?
- Що оснащує нейтрино масою?
- Чи живуть антинейтрино відмінною від нормальних нейтрино життям?
- Чи можуть ці примарні частки бути самі собі античастинками?
Стандартна модель, яку фізики вирощували з 50-х років минулого століття, з усіма кварками, лептонами і переносять сили частинками, відповісти на ці питання не може. Великі нейтринні експерименти в США, Японії і Європі збирають дані і готуються вирішити ці проблеми. Дані ініціативи можуть не тільки розгадати таємницю примарних частинок, але і привести нас до зовсім інших питань про природу речей.
Що не так з нейтрино?
Однак, саме дивне властивість нейтрино полягає в тому, що їм не обов'язково закінчувати свою подорож точно такими ж, якими вони його починали.
Дізнатися про ці частинках хоч щось було вкрай важко, оскільки нейтрино складно виявити і провести. Але в даний час є кілька способів зробити це. Експериментатори можуть захопити трохи на шляху від Сонця, як той самий японський детектор і інші його колеги. Або ж вони можуть розмістити детектори поруч з ядерними реакторами, які виробляють електронні антинейтрино. Нарешті, фізики можуть запустити прискорювачі часток і зіштовхнути протони з шматочками графіту, в процесі цього створюючи потоки нейтрино. Останньому експерименту ще належить трапитися. Штучні нейтрино легше захопити, ніж їх невловимих родичів, але через їх квантової природи виявлення нейтрино є ймовірнісної завданням.
Аромати нейтрино - електрон, мюон і тау - не є окремими індивідуальними частинками, а комбінаціями різних мас нейтрино. Ці маси пов'язані з енергіями нейтрино, як Ейнштейн вчив нас в E = mc². Хоча нейтрино можуть народитися з определнной енергією, а значить і з певним ароматом (Сонце, наприклад, виробляє безліч електронних нейтрино), квантовий стан цих нейтрино є сумішшю всіх трьох, закручену в часі.
«Вони просто по своїй суті квантово-механічні. Якщо я дам вам електрон і запитаю через десять хвилин, чи залишився електрон в вашій руці, відповіддю буде «так», - говорить Мессьє. - А ось нейтрино - немає ».
Хоча їх маса зникаюче мала, звичайна матерія може з ними взаємодіяти. Роберт Вілсон, професор фізики в Університеті штату Колорадо, порівнює нейтрино зі світлом, що проходить через фільтр. Деякі довжини хвиль змінюються, інші ні. Точно так же, деякі види нейтрино, можуть зачепитися за звичайну матерію, хоча інші пролетять.
Минулого місяця японські експериментатори продемонстрували цей коливальний ефект, виявивши, що нейтрино яскравіші вночі. У міру того, як електронні нейтрино летять потоком від Сонця в напрямку Землі, вони коливаються між мюон- і тау-нейтрино. Але після того, як вони проходять через щільну матерію нашої планети, деякі з них змінюються в зворотну сторону. Це говорить про те, що деякі квантово-механічні трансформації відбуваються під час взаємодії з речовиною на Землі, зокрема з електронами. За словами Мессьє, електронні нейтрино можуть обмінюватися з W-бозоном, носієм слабкої сили, під час цієї взаємодії.
«Це як поцілувати електрони і полетіти далі. Це слабка сила взаємодії, - говорить він. - W-бозон змінює фазу своєї хвилі, не змінюючи імпульсу ».
Експеримент LBNE займеться розглядом цих пов'язаних з матерією ефектів, які призводять до появи крапель електронних нейтрино посеред душа з мюон-нейтрино. Прискорювачі Fermolab будуть посилати нейтрино на півтори тисячі кілометрів на детектор з рідким аргоном, похованим під Південній Дакотой. Це дозволить фізикам не тільки вивчити ефекти матерії, але і з'ясувати, яка матерія взаємодіє з нейтрино в першу чергу.
Вілсон зазначає, що цей крихітний ефект має важливі наслідки для асиметрії між речовиною і антиречовиною.
«Це все ще нейтрино, частка ніяк не змінилася. Але ймовірність того, що ви побачите зміна вимірів залежить від того, крізь яку кількість маси пройшли нейтрино ».
Як щодо власної маси нейтрино? Стандартна модель не може пояснити і це. Фізики змогли тільки сказати, що нейтрино відрізняються один від одного, але ніякої конкретики. Ми не знаємо, які нейтрино найважчі, а які - найлегші. Детектор під назвою NuMO Off-axis ve Appearance, або NOvA, допоможе визначити масову ієрархію нейтрино. NuMI - це пучок нейтрино з Fermilab; 14000-тонний детектор NoVA стежитимуть за невідповідністю між відходять мюон-нейтрино і тими, хто прибуває електрон-нейтрино.
Навіть якщо в ході цих експериментів вдасться генерувати нові дані про масу, фізики не зможуть точно сказати, як ця маса виникає. Оскільки нейтрино легше будь-яких інших частинок, навряд чи механізм Хіггса буде наділяти їх масою, як це відбувається з іншими частинками.
«Повинен бути якийсь механізм, який визначає їх маси, - каже Мессьє. - Але які маси? Якому порядку вони йдуть? Який порядок змішування? Це запустить цілий ряд експериментальних програм, які ще більше посилять проблеми Стандартної моделі ».
LBNE, NOvA і інші майбутні експерименти розтягнутий ці тріщини, поки Стандартна модель повністю не завалиться. І на руїнах вчені сподіваються побудувати нову теорію фізики.
правопорушники
Крім надання відомого джерела еталонних нейтрино, прискорювач пучків також може виробляти нейтрино. Це дозволяє експериментаторам шукати відмінності в тому, як осцилюють ці два типи частинок. Розуміння механіки коливань нейтрино і антинейтрино відкриє завісу таємниці над асиметрією Всесвіту: чому вона наповнена швидше чимось, ніж нічим?
Фізики використовують термін заряду-парності, або CP, кажучи про симетрії між матерією і антиматерією у Всесвіті. Якби не було симетрії, не було б і Всесвіту. Рівні частини матерії і антиматерії, створені в процесі Великого Вибуху, зникли б у спалаху випромінювання.
«І ми могли б подумати, що так і було, якби не факт нашого існування, що спростовує цю теорію», - говорить Вілсон. Сталося щось, що схилило чашу терезів на нашу користь. З'ясування цього вимагає деяких ключових цифр, в тому числі числових значень, що описують суміші між різними ароматами нейтрино.
LBNE, будівництво якого зажадає 857 мільйонів доларів за 10 років, буде вимірювати взаємодію нейтрино з матерією у власних цілях, але це також допоможе фізикам вивчити ієрархію мас нейтрино. А знання цих значень дозволить фізикам вивчити CP-порушення без помилок.
Мессьє покладає ще більші надії на це.
«Це найгірший випадок: все, що ви робите - це вимірюєте дельту. У гіршому випадку, ми уточнюємо поточну парадигму. У кращому випадку, ми її спростовуємо. Ми бачимо свідоцтва того, що у нас немає повної картини, тому ця прекрасна історія про маси і змішуваннях, яку ми собі розповідаємо, може бути неповною. Нам потрібно закласти фундамент, щоб краще розуміти, що відбувається ».
Детектор LBNE також буде орієнтуватися на ці ефекти.
Хоча трильйони частинок будуть постійно перебігати через детектори, нейтрино настільки важко виявити, що апаратне забезпечення LBNE, NOvA, T2K і інших детекторів буде працювати роки, перш ніж виміряє поведінку нейтрино і їх аромати. Навіть це потребуватиме певного спритності рук: нейтрино не взаємодіють безпосередньо, тому вчені знаходять їх по крихітним спалахів світла, які випромінюють інші частинок, коли нейтрино їх вражають. Можете назвати це ароматом аромату частки.
Детектор Super-K зловив його, спостерігаючи за спалахами блакитного світла в величезному чані з водою, випромінюванням Черенкова. Детектор NOvA буде використовувати рідкий сцинтилятор, що складається з сотень тисяч пластикових труб, наповнених рідиною, яка світиться, коли частинки проходять через неї. Інженери Fermilab сконструювали спеціальних роботів, які будуть повзати по трубах і ефективно їх зміцнювати. LBNE буде використовувати перевірені методи спостереження за нейтрино, вивірені в ході експерименту ICARUS, які мають на увазі використання сітки під високою напругою, зануреної в рідкий аргон.
Що далі?
Просування фізики за межі Стандартної моделі і потенційне наближення Теорії великого об'єднання безпосередньо залежить від того, що побачать нові детектори. Сигнали LBNT можуть натякнути на можливе четверте нейтрино, велике або маленьке, яке підніме нові питання про темну матерію і походження Всесвіту.
Навіть пояснення загадок нейтрино не зможе повністю пояснити асиметрію матерії і антиматерії, або об'єднання ядерних сил, або відношення цих сил до гравітації, або що таке темна матерія, або що таке темна енергія.
Можливо, ми абсолютно неправильно уявляємо собі все це.
«Кеплер думав, що найважливіше питання в науці - зрозуміти, чому в Сонячній системі шість планет. Він не знав про двох інших, - говорить Хьюбер. - Тепер ми знаємо, що у більшості зірок є свої планети. Точно так же, як сьогодні ми не знаємо багатьох питань і багатьох відповідей, через сто-двісті років вони будуть нісенітницею. Або не будуть ».
Хоча Великий адронний коллайдер успішно виявив бозон Хіггса - власне, для цього він і будувався - він до цих пір не зміг розсунути межі Стандартної моделі. Точно так же, як теоретики сподіваються вийти за її межі, Хьюбер пропонує фізикам переключитися з гігантських коллайдеров до кілець, що збирає мюони, мюонним коллайдера і «нейтрино фабрикам», що дозволяє створювати великі і точні пучки нейтрино.
«Максимально точне вимірювання нейтрино - це хороший маршрут, - говорить учений. - Очевидно, що нейтрино готують нам сюрпризи один за одним ».