Тайнственото неутрино получава нова оценка на масата

Космическите изчисления предполагат колко масивна може да бъде най-леката материална частица.

Неутрино, едни от най-странните фундаментални частици в природата, са почти безмасови – тук акцентът е върху почти. Беше прогнозирано, че са напълно безмасови, но преди около 20 години експериментите изненадващо установили, че имат някаква маса. Точно колко е тя, останало загадка. Сега ново изчисление въз основа на космологични наблюдения поставя горна граница на това, колко тежко би могло да бъде най-лекото неутрино.

Има много странни неща покрай неутриното: неочакваното им тегло от една страна и това, че те рядко си взаимодействат с друга материя и във всеки един момент милиарди от тях преминават през телата ни. Може би най-странният аспект на тези частици е тяхната склонност към смяна на идентичността, въртейки (циклейки) се между трите възможни „аромата” или видове (аромат във физиката на частиците е името, което учените дават на различните версии на един и същ тип частици). Всъщност именно наблюдението на тази способност за промяна на вида на първо място показва на учените, че трите „аромата” неутрино трябва да имат различни маси, което разбира се означава, че всичките техни маси не могат да бъдат нула.

Учените отчаяно биха искали да знаят колко всъщност тежат, което би дало изключително важна представа защо имат маса, имайки предвид, че както изглежда, не я придобиват по начина, по който това се случва при другите частици: чрез полето на Хигс (свързано с бозона на Хигс, открит през 2012 г.). „Разбирането защо частиците имат маса, е нещо много фундаментално за начина, по който разбираме физиката“, казва физикът Джоузеф Формаджо от Масачузетския технологичен институт. „Това, което е объркващо при неутриното, е възможността механизмът, който според нас поражда масите на всички частици, да не важи по някаква странна причина за неутрино. Намирам това за вълнуващо.“

Новата граница на масата идва от изчисление направено от суперкомпютър, което комбинира данни за разпределението на галактиките в цялата Вселена, остатъците от първата светлина освободена след Големия взрив и размерите на свръхнови, които показват скоростта на разширение на Космоса. Анализът също използва и лабораторни данни за неутрино, например измерване на скоростите, с които те превключват между „ароматите”, за да се стигне до оценка на максималното тегло на най-малкия: 0,086 електрон волта или 0,00000000000000000000000000000000000015 кг. – което го прави поне шест милиона пъти по-лек от електрона.


РЕКЛАМА:

***

„Това, което е направено, е наистина чудесно свършена работа“, казва Олга Мена от Института по корпускулярна физика в Испания, която е работила върху подобни изчисления. Андре де Гувия (André de Gouvêa), теоретичен физик от Северозападния университет, казва: „Това е малко по-детайлен анализ на космологичните данни, отколкото са правени преди. Резултатите, предварително качени в arXiv.org, са били публикувани на 22 август в Physical Review Letters (PRL). Друга граница, изчислена чрез подобни методи от физиците Шувик Рой Чаудъри (Shouvik Roy Choudhury)  и Стив Ханестад, също е била наскоро публикувана на arXiv.org и е даден за рецензия в Journal of Cosmology and Astroparticle Physics.

Защо далечните измервания на галактики и свръхнови имат някакво отношение към масата на най-леката частица от материята във Вселената?

Тъй като неутриното, макар и с малки размери, има гравитационен ефект върху всичко останало, дори чрез малката си маса. Докато пътуват през космоса със скорост близка до тази на светлината, те са склонни макар и леко да изтеглят и други частици със себе си, което от своя страна води до цялостно замъгляване на разширяващите се галактики в Космоса. „Все едно, ако сте късогледи и свалите очилата си“, казва Артур Лурейро (Arthur Loureiro) от University College London, първи автор на проучването PRL. „Те правят нещата неясни.“ Степента на тази неяснота може да ни каже колко е масата на неутрино.

Оценката допълва и други усилия за претегляне на неутрино, които са фокусирани върху лабораторни експерименти,  например проекта наречен Karlsruhe Tritium Neutrino (KATRIN), експеримент в Германия, имащ за цел да измери масата на неутрино чрез наблюдение на бета разпадания, при които неутронът се трансформира в протон чрез освобождаване на неутрино и електрон. Чрез внимателно измерване на енергията на електрона, учените могат да изведат масата на неутрино. За разлика от оценките, базирани на космологията, които включват несигурност, базирана на предположения относно неизвестни като тъмна материя и тъмна енергия, този вид експеримент е по-директен. „Той прави най-малко предположения, но за съжаление, в момента е най-чувствителният“, казва Формаджо, който работи по KATRIN и подобни експерименти.

Друг клас проучвания търсят митичния процес на разпад, известен като „неутрино двоен бета-разпад“, при който два неутрона се трансформират в два протона, освобождавайки очакваните електрони, но не и съответните неутрино. Това явление може да се случи, ако се установят неутрино, техните собствени частици за антиматерия – теоритична възможност, но все още далеч от фактите. Ако е така, излъчените два неутрино биха анихилирали взаимно, както правят всички двойки частици материя и антиматеря, когато се срещнат. Ако може да се измери двоен бета разпад без неутрино, силата на разпадане ще бъде пропорционална на най-леката маса на неутрино. Засега това не е наблюдавано в нито един експеримент.

 

Липсващото парченце от теорията

В крайна сметка учените трябва да сравняват резултатите от всички тези различни методи. „Само чрез комбиниране на всички възможни начини за измерване на неутрино масата ще имаме краен и стабилен отговор“, казва Мена. Но ако оценките се различават, казват някои учени, още по-добре. „Вълнуващо е да разберем: Какво ще стане, ако направим измерване от космологията и получим отговор, който не е в съгласие с измерванията на физиката на частиците?“, казва де Гувия. „Това би било показателно за факта, че в тази картина има нещо, което просто не е наред. Може би има нещо нередно в нашето разбиране за ранната Вселена. Или може би има нещо необичайно относно механизма за неутрино масите, като това масата да зависи от това къде се намирате или кога правите измерването. Звучи лудо, но е възможно.“

Дори и без доказателства за подобни необичайни сценарии, намирането на надеждна оценка на масата на неутрино би тласнало физиката в нова посока. В стандартния модел на физиката на частиците, най-добрите изследователи на теорията, чиято задача е да опишат частиците и силите във Вселената, прогнозирали, че неутрино са безтегловни. Фактът, че те не са, дава възможност за разширяване на теорията. „Стандартният Модел (СМ) е една от най-прецизните теории, които човечеството е изграждало някога, но му липсва нещо. Намирането на липсващото парче за неутрино определено може да бъде ключът към разбирането какво е тъмна енергия и тъмна материя, защото те също не присъстват в Стандартния Модел“, казва Лурейро.

Космологичната част от отговора се очаква да е по-прецизна през следващото десетилетие, с оглед на появата на нови телескопи. Европейският телескоп Евклид, например, ще подобри драстично точността на триизмерните космически карти след пускането му през 2022 г. А спектроскопичният инструмент за тъмна енергия (Dark Energy Spectroscopic Instrument – DESI) в Аризона, нов инструмент за провеждане на спектрографско проучване на далечни галактики. И накрая, Големият синоптичен обзорен телескоп за изследвания (Large Synoptic Survey Telescope – LSST), който се строи в Чили, е проектиран да получава изображения от голяма площ на небето наведнъж. Той ще изобразява цялото небе на всеки няколко нощи, стартирайки през 2022 г. „Всички са много развълнувани“, казва де Гувия, „защото до пет години би трябвало да имат способността да открият нещо, т.е. те ще бъдат в състояние да правят наблюдение, а не просто задаване на граници.“

 

Превод: Светослава Петкова-Дишкова

Източник: Scientific American


Европейска нощ на учените 2022 г.: