Американские физики открыли частицу, которой не может быть

В ходе эксперимента на детекторе нейтрино в американской лаборатории Fermilab ученые обнаружили прежде неизвестную частицу, само существование которой переворачивает Стандартную модель физики. Возможно, из нее состоит пресловутая темная материя.

Речь идет о четвертом типе нейтрино. Согласно текущим представлениям о мироздании такой частицы попросту не может быть.

Однако, недавний эксперимент на детекторе нейтрино в лаборатории Fermilab в штате Иллинойс предоставил доказательства существования частицы, которую ранее лишь предсказывали. Речь идет от так называемых "стерильных" нейтрино.

Результаты исследования уже представлены на суд научной общественности.

Последствия этого открытия могут быть просто колоссальными для теоретической физики и нашего понимания того, как устроена Вселенная.

Большой эксперимент

Как это часто бывает в физике, новый эксперимент оказался удачной попыткой повторения старого.

Впервые о стерильных нейтрино заговорили в середине 1990-х после исследований на детекторе нейтрино в лаборатории в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико). Тогда и возникло предположение о том, что избыток частиц, который в определенных обстоятельствах фиксировал детектор, объясняется существованием до сих пор неизвестного типа нейтрино. Этот тип не удавалось засечь, потому что он никак не взаимодействует с материей, предположили ученые.

Этот тип получил название "стерильные" нейтрино.

В последующие годы множество экспериментов пытались повторить это достижение, но всегда безрезультатно.

И вот исследователям из Fermilab, расположенного в штате Иллинойс неподалеку от Чикаго, удалось снова взять след таинственной частицы.

Данные, полученные в ходе эксперимента, не могут быть объяснены в рамках Стандартной модели физики, считает Сабина Хоссенфельдер, одна из авторов исследования.

Стерильные нейтрино

Нейтрино принадлежат к числу наиболее распространенных частиц во Вселенной, но засечь их необычайно сложно.

Они похожи на электроны, но у них нет электрического заряда, и они обладают столь ничтожной массой, что почти не взаимодействуют с обычной материей.

Собственно, более менее достоверное подтверждение того, что нейтрино вообще имеют массу, появилось недавно. За работу в этом направлении два американских физика получили в 2015 году Нобелевскую премию.

В рамках традиционных представлений нейтрино бывают трех видов - электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Два последних вида ассоциируются с более тяжелыми частицами, носящими такие же названия.

Гипотетический четвертый вид нейтрино получил название "стерильный". Такой нейтрино не может взаимодействовать с обычной материей, описываемой в Стандартной модели физики частиц. Разве что кроме гравитационного воздействия, но и это пока остается лишь догадкой.

Из этого следует, что если стерильные нейтрино существуют, они разобьют в прах Стандартную модель и навсегда изменят физику частиц.

И суть не только в том, что это четвертый вид нейтрино (что само по себе уже немало). Дело в том, что стерильный нейтрино - весьма вероятный кандидат на роль "того", из чего состоит темная материя.

Какие доказательства?

Именно незначительное взаимодействие между нейтрино и материей является причиной того, что стерильные нейтрино невозможно напрямую засечь на существующих детекторах нейтрино. Они используют оборудование, которые фиксирует вспышки света, возникающие при столкновении частиц.

Таким образом, на существование стерильных нейтрино указывает лишь общее избыточное количество частиц в измеряемом потоке. Теоретически эти таинственные частицы могут смешивать с обычными нейтрино и менять амплитуду осцилляций.

В ходе экспериментов в Лос Аламосе в1990-х исследователи обстреляли лучами из мюооных нейтрино детектор, состоящий из электронных нейтрино, расположенный за изолирующей емкостью с водой, и смогли засечь 2437 столкновений, в то время, как их должно было быть почти на 500 меньше.

Из этого следовало, что существуют какие-то еще нейтрино, которые сопровождали те, о которых знали ученые. Но эти "призрачные" нейтрино засечь не удалось.

На протяжении двух десятилетий ученым там и не удалось повторить этот эксперимент. Более того, в 2016 году завершился почти 10-летний эксперимент в лаборатории на Южном полюсе. В ходе этого опыта ученые отследили почти 100 тыс столкновений нейтрино. Никаких признаков "таинственной частицы" не было обнаружено. Некоторые физики поспешили сообщить, что стерильные нейтрино - это миф.

И вот пришла очередь эксперимента на Fermilab.

Эксперимент из 1990-х был повторен почти в точности, за исключением того, что детектор был изолирован от радиации с помощью бака с маслом. Исследователи подсчитали количество столкновений нейтрино, и цифры вновь не сошлись. Таинственная частица, которую невозможно засечь, поскольку она не взаимодействует с материей, вновь проявила себя.

Обычные нейтрино сталкиваются со скрытыми, более тяжелыми "стерильными" нейтрино, которые детектор не может засечь напрямую, и результаты их столкновений оказываются в том диапазоне, которые оборудование в состоянии засечь, пишут авторы.

В рамках Стандартной модели эти результаты объяснять нельзя, заключают авторы исследования. Они считают, что их эксперимент доказывает существование четвертого вида нейтрино.

Темная материя?

Вскоре после того, как научный мир впервые заговорил о стерильных нейтрино, появилась гипотеза о том, что именно эта таинственная частица может быть… частицей темной материи.

Вид нейтрино, который не взаимодействует с обычной материей, является отличным кандидатом на роль носителя темной материи, предполагают некоторые ученые.

Например, Кеворк Абазаджан из Калифорнийского университета в 2014 году опубликовал работу, в которой предлагает объяснять таинственное излучение из галактических кластеров именно существованием некоей частицы темной материи, которая не взаимодействует с обычной материей. И предлагает на эту роль стерильные нейтрино.

В 2017 году в США была опубликована книга физика Александра Мерле с красноречивым названием Стерильные нейтрино и темная материя. Автор рассуждает на тему того, что именно таинственный четвертый вид нейтрино является идеальным кандидатом на роль частицы, из которой состоит темная материя.

Результаты нового эксперимента на Fermilab заставляют вновь вернуться к этой теме, констатирует обозреватель ScienceAlert Мишель Стар.

Работа ученых только что опубликована и еще не получила рецензий. Но в скором времени мы услышим на тему стерильных нейтрино много интересного.