12.11.2010

Стерильные нейтрино: Новый аромат

Очередные эксперименты в физике элементарных частиц наносят новый укол Стандартной Модели: возможно, удалось обнаружить неожиданный, четвертый аромат нейтрино.

Если описывать упрощенно, то материя состоит из фундаментальных частиц – фермионов (включая 6 разных кварков, 6 разных лептонов, плюс античастицы для каждой из них) и калибровочных бозонов – особых частиц, переносящих фундаментальные взаимодействия (электромагнитное, слабое, сильное и гравитационное). Кварки формируют такие всем известные частицы, как протоны и нейтроны, а электрон является лептоном сам по себе. Как и нейтрино.

У электрона имеются «частицы-сестры», мюон и тау-лептон, они различаются массой и ароматом. Соответственно, и у электронного нейтрино имеются дополняющие его сестрицы, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Говоря более строго, они представляют собой разные «поколения» частиц, и возможность существования более чем 3-х поколений не соответствует Стандартной Модели физики элементарных частиц.

При этом нейтрино постоянно осциллирует, меняя поколение, превращаясь то в тау-, то в мюонное нейтрино, и обратно, и так далее. Но вот в ходе эксперимента MiniBooNE осцилляций обнаружилось больше, чем можно было бы ожидать, исходя из этой безоблачной картины.

«Результаты позволяют предположить, что либо имеются новые частицы, либо новые взаимодействия, о которых мы пока не знаем, - говорит один из авторов работы, профессор Байрон Рой (Byron Roe), - но проще всего сделать вывод о существовании частиц нейтрино нового аромата, “стерильного”, не вступающего в обычное слабое взаимодействие».

Для всех трех «обычных» поколений нейтрино (в данном случае поколение и аромат частицы – синонимы) именно слабое взаимодействие является едва ли не единственным, в которое они вступают. Значительно слабее выражено гравитационное, а сильное ими и вовсе игнорируется.

Слабое взаимодействие проявляется лишь на очень близких расстояниях, и нейтрино должен оказаться совсем рядом с другой частицей, чтобы как-то «отреагировать» на нее. В результате нейтрино может пролететь расстояние в сотни световых лет, так ни разу и не вступив во взаимодействие – через наши тела в секунду пролетают многие триллионы триллионов нейтрино, безо всякого эффекта. А если же у нового нейтрино четвертого аромата и эта возможность взаимодействия отсутствует, это делает его и вовсе практически необнаружимой частицей-призраком, отчего и предложено ей наименование «стерильной».

Конечно, наличие его потребует корректировки Стандартной Модели, зато оно неплохо объяснит некоторые моменты, связанные с составом нашей Вселенной. По словам участвовавшего в работе студента Уильям Луиса (William Louis), «стерильное нейтрино могло бы отвечать за часть или за всю темную материю, а также объяснить асимметрию между количеством материи и почти отсутствующей антиматерией».

Между тем, эксперимент MiniBooNE стал не первым, в котором обнаружилось превышение числа нейтринных осцилляций над ожидаемым – это было показано еще в 1990-х на детекторе LSND в Лос-Аламосе, и именно для проверки тех данных проводится MiniBooNE. Поначалу подтверждения найдено не было, пока анализировалось поведение пучка нейтрино, но когда MiniBooNE перевели на пучок антинейтрино (как, кстати, и на LSND), свидетельства наличия стерильного нейтрино снова обнаружились. Это, к слову, особенно интригующий момент, возможно, связанный с фундаментальной разницей между материей и антиматерией, разницей, которую мы пока только начали нащупывать.

Впрочем, ученые в очередной раз предостерегают воспринимать подобные «революционные» исследования однозначно и окончательно. Потребуются годы проверок и дополнительных экспериментов, прежде чем можно будет говорить о стопроцентно достоверных данных – и делать из них далеко идущие выводы.

Источники:

1. www.popmech.ru