Research

Квантовий світ: як пов'язані стерильні нейтрино та темна матерія?

Найпоширеніші частинки природи,винятком фотонів (частин світла) – це нейтрино. Вони не мають заряду і походять від Сонця, а також від наднових та інших космічних подій. Більше того, близько трильйона нейтрино зараз проходять через вашу руку! Вчені виділяють кілька типів чи різновидів нейтрино: електронні, мюонні та тау-нейтрино, а також сподіваються на існування четвертого типу – «стерильних нейтрино». Якщо вони справді існують, то допомогли б розв'язати кілька фундаментальних загадок у фізиці, наприклад, чому нейтрино мають масу, тоді як теорії пророкують, що маси цих частинок бути не повинно? Стерильні нейтрино також пов'язують із таємничою субстанцією, яка заповнює 85% Всесвіту – темної матерією, що пронизує космос. Наявність цих загадкових частинок пророкували раніше проведені експерименти, але незадача: теорія також передбачає можливе існування не тільки «стерильних» нейтрино, але і безлічі інших, додаткових частинок. Ці нейтрино могли б взаємодіяти один з одним за допомогою своїх власних таємних сил десь на задвірках Всесвіту. Але все по порядку.

Квантовий світ приховує безліч таємниць, крихітну частину з яких ми намагаємося осягнути

зміст

  • 1 З чого складається все довкола?
  • 2 Загадкові нейтрино
  • 3 У пошуках стерильного нейтрино
  • 4 До чого тут темна матерія?

З чого складається все довкола?

З погляду фізики ми складаємося з кварків ілептонів. Як пояснює у своєму відео для Пост-Науки доктор фізико-математичних наук Данилов Михайло Володимирович, нейтрони складаються з u-кварків та d-кварків та становлять атомні ядра. З атомних ядер і електронів утворюються атоми, які потім поєднуються в молекули, утворюючи абсолютно все, що ми бачимо навколо себе.

Погодьтеся, досить проста картина.Електрони в атомах утримуються з допомогою електромагнітного взаємодії, яке переносник – фотони. Кварки всередині протона і нейтрону утримуються з допомогою сильної взаємодії, переносниками якого є глюони.

Бозон Хіггса багато що змінив у світі елементарних частинок

За рахунок сильної взаємодії протони танейтрони утримуються в ядрі атома, а слабка взаємодія відповідальна за перехід нейтрону в протон, електрон та антинейтрино. Тут, однак, слід зазначити, що у кожної частки є своя античастка, яка відрізняється від частки негативним зарядом, – зазначає Данилов.

Але незважаючи на таку елегантну і просту наНа перший погляд картину, природа не така проста. І доказом цього є існування ще одного набору кварків і лептонів, які фізики називають поколіннями. Цікаво, що ці частинки важчі за звичайні кварки і лептони, але навколо нас їх немає. Вони виникають лише в окремих випадках.

Отже, що ми зрештою знаємо про Всесвіт?

У природі існують кварки та лептони. Кварки беруть участь у сильній взаємодії, лептони – ні.

По суті, ці крихітні частинки - фундамент,що ми бачимо. Виявлений у 2012 році Бозон Хіггса, здається, завершив картину, оскільки саме він дає масу решті частинок Стандартної моделі. Докладніше про те, що таке Стандартна модель і як фізики дроблять матерію на атоми, я розповідала в цій статті, рекомендую прочитати.

Загадкові нейтрино

Але повернемось до нейтрино.У 1990-х роках під час експериментів щодо вивчення цих таємничих частинок сталося щось дивне: у детекторі з'явилося дуже багато частинок. 2002 року вчені розпочали ще один експеримент, щоб з'ясувати, що сталося. Це випробування також показало дивовижні результати, але по-іншому.

нейтрино – це загадкові квантові частки, які маютьмасу, але дуже малі та їх важко виміряти. Вони дивовижні, тому що маса, яку вони містять, не враховується у стандартній моделі, що описує субатомний світ.

Ці надлишкові частки у ранніх експериментахсхвилювали вчених. Справа в тому, що вони виглядали як можливі ознаки існування так званих «стерильних нейтрино», що заважають нормальним нейтринним ароматам (як їх поетично називають фізики): стерильні нейтрино взаємодіяли б з іншими частинками лише за допомогою гравітації, тоді як відомі три аромати нейтрино – з за допомогою слабкої взаємодії.

Фізики поетично називають різні типи кварків ароматами

І все-таки вони можуть впливати на іншінейтрино через дивну властивість, якою володіють всі ці частинки: здатність «вагатися» або змінювати аромат. Частка, наприклад, електронне нейтрино, може перетворитися на тау або мюонне нейтрино, і навпаки. Зазвичай це перетворення відбувається, коли нейтрино долають певну відстань, але, схоже, воно відбувається швидше за інші експерименти.

Проте у 2013 році існування стерильнихнейтрино було поставлено під сумнів, оскільки дослідження, проведені в Інституті Макса Планка в Німеччині по ранньому всесвіту, не виявили їхніх слідів, як, наприклад, пояснює у зв'язку журнал Quanta.

Більше на тему: Фізики відкрили нову елементарну частинку – тетракварк

З того часу з'явилися припущення про можливістьіснування не одного стерильного, а безлічі додаткових нейтрино, які могли б взаємодіяти один з одним за допомогою своїх власних таємних сил у місці у Всесвіті, яке ми досі не знаємо.

У пошуках стерильного нейтрино

Детектор нейтрино LSND, розташований уНаціональна лабораторія Лос-Аламоса і міні-прискорювач нейтрино MiniBooNE в Національній прискорювальній лабораторії Фермі (Fermilab) дозволили дослідникам дійти дивовижних висновків.

Понад двадцять років фізики шукають таємниче стерильне нейтрино

Цікавий факт
Раніше вважалося, що мюонні нейтрино можутьперетворюватися на стерильні нейтрино, а потім на електронні нейтрино – цей процес може відбуватися швидше, ніж просте перемикання мюонного аромату на електронний.

У своїх експериментах фізики генерують потікмюонних нейтрино і направляють їх на детектор, розташований на відстані 470 метрів. Детектор – гігантський резервуар, заповнений 170 метричними тоннами чистого рідкого аргону – чекає, щоб упіймати нейтрино в момент зіткнення з ядром одного з атомів аргону. Такі зіткнення дуже рідкісні, і єдиними їх ознаками є вторинні частинки, що утворюються внаслідок взаємодії.

Як пише Scientific American, вчені оголосили про результати, отримані за допомогою детектора MicroBooNE 27 жовтня, заявивши, що не побачили жодних ознак, що свідчать про наявність додаткових частинок

Так, це трохи дивно, – каже представникMicroBooNE Бонні Флемінг із Єльського університету. "У більш ранніх експериментах спостерігалися додаткові частинки, схожі на електрони або фотони", - зазначає він.

Детектор елементарних частинок MicroBooNE

Це цікаво: Вчені наблизилися до розуміння того, чому антиматерії у Всесвіті менше, ніж матерії

Проте MicroBooNE може набагато точніше визначитинапрямок руху частинок та енергію, яку виділяють частинки. Це означає, що фізики можуть вирішити, чи є електроном або фотоном. Справжній тріумф експерименту полягає в тому, що технологія працює так добре.

Тим не менш, дослідники практично впевнені вТам, де вони шукали, немає зайвих електронів або фотонів, що послаблює надії на виявлення стерильних нейтрино. Якби мюонні нейтрино могли швидко перетворюватися на стерильні нейтрино, а потім на електронні нейтрино, електрони з'явилися б у детекторі.

Детектор знаходиться далеко від свого джерела, щоб виникло звичайне коливання мюонного нейтрино в електронне нейтрино

Але якщо немає зайвих електронів чи фотонів, то щоце за надлишкові частки, які були зареєстровані LSND та MiniBooNE? Один з варіантів відповіді полягає в тому, що незрозумілі зіткнення нейтрино насправді не відбувалися в жодному з попередніх експериментів і що у випадку з MiniBooNE дослідники просто пропустили деякі перешкоди всередині детектора під час експерименту.

Детектор знаходиться недостатньо далеко від джерела, щоб виникло звичайне коливання мюонного нейтрино в електронне нейтрино.

Інші погоджуються."Дуже малоймовірно, що в детекторі сталася якась помилка", - розповів журналістам фізик-теоретик Північно-Західного університету Андре де Гувеа. Має бути нове джерело або електронів, або фотонів, або чогось схожого на електрони або фотони. Можливо, каже він, відбувається щось складніше.

Ці частинки можуть розпадатися на інші.наприклад, на звичайне нейтрино і щось екзотичне, наприклад «темний фотон» (двоюрідний брат звичайних фотонів, фізики припускають його існування, проте жодних доказів існування на сьогоднішній день немає).

Читайте також: Чи варто довіряти науці?

До чого тут темна матерія?

І все ж таки, стерильні нейтрино залишаютьсяпривабливою перспективою для фізиків. Вони, ймовірно, є побічним продуктом теорій, які намагаються пояснити, чому нейтрино взагалі мають багато. Більше того, ці таємничі частинки можуть допомогти пояснити, що таке темна матерія.

Справа в тому, що деякі види стерильнихнейтрино самі можуть бути кандидатами на темну матерію, або бути частиною «темного сектора», в якому частка темної матерії виявляється пов'язана зі стерильними нейтрино або розпадається на них. І з'ясування того, що відбувається в цих експериментах з нейтрино, може стати першим кроком до відповіді на ці масштабні питання.

Це справді цікаво, тому що всі очевидні можливості вже перевірені, вважають дослідники.

Оскільки темна матерія не вступає в електромагнітну взаємодію з фотонами світла, спостерігати її безпосередньо неможливо

Чи може темна матерія формуватися зі звичайної матерії?

Як запропонував Джанет Конрад, фізик ізМассачусетського технологічного інституту (MIT), і Карлос Аргуельєс-Дельгадо, фізик з Гарвардського університету, стерильні нейтрино можуть розпадатися на набір невидимих ​​частинок: вони б підтвердили існування темного сектора, виведеного як альтернативу неможливості виявлення «неушкоджених» стерильних нейтрино.

Нагадаю, що темна матерія не складається із звичайних частинок, таких як електрони, протони або електрони, тому вважається, що вона повинна складатися з частинки, що не розпізнається стандартною моделлю.

Історично стерильні нейтрино були кандидатамидля пояснення складу темної матерії, тому перевірка того, що вони домінують у темному секторі за допомогою невидимих ​​частинок, які є їх прямими нащадками, пояснило б, чому Всесвіт перебуває в постійному розширенні.

Можливо, вчені незабаром виявлять щось таке, що назавжди змінить сучасну фізику

Більше по темі: Вчені вважають, що темна матерія може ховатися у додатковому вимірі

Словом, добре те, що у нас є інструменти дляподальшого вивчення цього питання так, сподіваємося, що вчені докопаються до суті. Пошук стерильних нейтрино продовжується, стежте за новинами та підписуйтесь на наш канал у Telegram, так ви точно не пропустите нічого цікавого!