Blogas tas fizikas, kuris nenori praurbinti plyšio Standartiniame modelyje. Panašu, šioje srityje labiausiai nusipelnė neutrinų tyrėjai. Jau ketvirtį amžiaus mokslininkai gauna prieštaringus duomenis apie jų savybes, tačiau tų eksperimentų patikimumo kol kas nepakanka, kad būtų galima kalbėti apie Naują fiziką. Netrukus tai gali pasikeisti: ką tik pasirodė eksperimentiniai duomenys, visiškai tiksliai bylojantys, kad Standartinio modelio mums negana. Pasakojame, kas nutiko ir ką tai gali reikšti fizikai

2021 metų ruduo pažymėtas iš karto dviejų eksperimentų, susijusių su sterilių neutrinų – hipotetinių dalelių už Standartino modelio ribų – paieškomis, rezultatų publikavimu. Dėl jų tikslumo galima oficialiai paskelbti, kad dabar tikrai būtina Nauja fizika. Abu darbai kol kas moksliniuose žurnaluose dar nerecenzuoti. Pasiaiškinkime šių straipsnių autorių galimo teisumo reikšmę šiuolaikinei fizikai ir ko laukti toliau.

Dalelių fizikoje neutrinas pasirodė beveik prieš šimtą metų — kaip energijos tvermės dėsnio nesilaikančio beta skilimo problemos sprendimas. Iki neutrino atradimo branduoliuose vykstantis beta skilimas buvo įsivaizduojamas kaip neutrono virtimas į protoną, išleidžiant tik vieną elektroną. Kadangi nei protonas, nei neutronas iš branduolio niekur nedingsta, elektrono kinetinė energija turėjo būti griežtai apibrėžto dydžio, arba diskretinis jų rinkinys. Tuo tarpu realybėje elektronų spektras visuomet buvo tolygus, o ne diskretus. Šią problemą galima buvo išspręsti arba pažeidžiant energijos tvermės dėsnį, arba pasitelkiant naują dalelę, su kuria elektronas atsitiktiniu būdu galėtų dalintis energija. Fizikai pasirinko antrąjį būdą.

Po dvidešimties metų praktiškai nepagaunamą dalelę — ji dalyvauja tik silpnojoje ir gravitacinėje sąveikoje, todėl per materiją sklinda praktiškai kiaurai — visgi pavyko sučiupti, ir fizikai suprato, kad jų pasirinkimas buvo teisingas. Netrukus paaiškėjo, kad kiekvieną leptoną: elektroną, miuoną ir taoną — atitinka nuosavas bemasis neutrinas. Visi jie užėmė savo vietas Standartiniame modelyje.

Vos užgimęs, neutrinų modelis susidūrė su sunkumais. Iš Saulės mus pasiekiančių neutrinų srautų stebėjimai parodė, kad juose elektronų neutrinų trigubai mažiau, nei numato mūsų žvaigždėje vykstančių procesų fiziką aprašantis Standartinis Saulės modelis. Panašios problemos kilo ir tyrinėjant miuoninius neutrinus (\(\nu _{\mu }\)), susidarančius kartu su miuonais, kosminiams spinduliams bombarduojant atmosferą. Visus šiuos keblumus paaiškino neutrinų osciliacijos mechanizmas, aprašantis skirtingų tipų neutrinų tarpusavio virsmus. Eksperimentiškai patvirtintas, 2015 metais jis buvo įvertintas Nobelio premija.

Vieno tipo neutrino virtimas kito tipo neutrinu yra tikimybinis. Ši tikimybė periodiškai priklauso nuo neutrino nuskriejamo atstumo. Jo osciliacijos vyksta tuo dažniau, kuo didesnis abiejų dalelių masių kvadratų skirtumas. Osciliacijos vyksta, nes šnekant kvantinės mechanikos kalba, būsenos tam tikras aromatas (leptono tipą charakterizuojantis kvantinis skaičius), nėra būsena, apibrėžiama konkrečia mase.

Kitaip tariant, dalyvauti silpnosios sąveikos virsmuose, neutrinui reikia vieno kvantinio skaičiaus tipo, o laivai skrieti — kito, todėl skriejantis neutrinas nuolat būna kvantinės superpozicijos būsenos. Beje, tai būdinga ne vien neutrinams: panašiai osciliuoja ir kitos neutralios dalelės, pavyzdžiui, žavusis D° mezonas. Gal krūvį turintys leptonai irgi galėtų virsti vienas kitu, tačiau elektronui virsti miuonu ar taonu trukdo gigantiškas masių skirtumas, gerokai viršijantis jų išmatavimo neapibrėžtumą, ir todėl akimirksniu sugriaunantis kvantinę superpoziciją.

Visgi vertėtų pažymėti vieną svarbią neutrinų osciliacijos ypatybę, kurios mums dar prisireiks. Tai, kad neutrinai iš principo gali osciliuoti, byloja, kad jie turi masę ir netgi galima suskaičiuoti jų kvadratų skirtumą (\(7,5×10^{−5}\) ir \(2,5×10^{−3}\) kvadratinių elektronvoltų, atitinkamai).

Tiesa, pačių masių nustatyti kol kas nepavyko. Šiokias tokias neutrinų masės ribas apibrėžti galime iš reliktinio spinduliavimo stebėjimų ir galaktikų pasiskirstymo Visatoje duomenų. Iš jų žinome, kad visų trijų neutrinų masių suma neviršija dešimtųjų elektronvolto dalių. Palyginimui: elektrono — kitos po neutrinų einančios pagal masę Standartinio modelio dalelės — masė yra 0,51 MeV. Tačiau tiksli neutrino masė tebėra nežinoma ir atsakymas į šią mįslę gali būti reikšmingas kosmologijai.

Problemos tęsiasi

Lygiagrečiai su neutrinų osciliacijos hipotezės virtimu patikima teorija, kaupėsi eksperimentiniai faktai, verčiantys judėti dar toliau.

Prie pirmųjų galima priskirti nuo 1993 iki 1998 metų Los Alamos nacionalinėje laboratorijoje vykdyto LSND eksperimento rezultatus. Jie rodė, kad elektroninių ir miuoninių antineutrinų masių kvadratų skirtumas lygus vienam kvadratiniam elektronvoltui — gerokai daugiau, nei ankstesnė reikšmė. Šią anomaliją būtų galima paaiškinti, tarus, kad yra dar vienas neutrinų tipas, sterilusis, nedalyvaujantis net ir silpnojoje sąveikoje, o pasireiškiantis vien tik per osciliacijas su mums jau žinomais neutrinais. Jo masės kvadratas kaip tik ir skirtųsi nuo aktyvių neutrinų tuo LSND „pamestu“ vienetu.

Šią hipotezę palaikė maždaug tuo oat metu vykdytų dviejų Saulės skleidžiamų neutrinų tyrimo eksperimentų rezultatai, SAGE ir GALLEX. Kalibruojant galio detektorius, abiem atvejais pasireiškė vadinamoji galio anomalija: detektorių sugaunamų elektroninių neutrinų skaičiaus nukrypimas nuo esamų teorijų prognozuojamo. Anomaliją galėtų paaiškinti elektroninių neutrinų virtimas steriliais su maždaug tokiu pačiu masių kvadratų skirtumu, kaip ir LSND atveju.

Šių ir dar kelių eksperimentų liudijimų sterilaus neutrino egzistavimo naudai buvo nepakankamas jų rezultatų statistinis reikšmingumas (mažiau 3σ). Dėl to ir buvo pradėti MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) ir BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions) eksperimentai.

Kas atsitiko dabar

Pirmąjį eksperimentą atliko Enrico Fermi nacionalinė tyrimų laboratorija (Fermilab, JAV). 2018 metais gautas „teigiamai sterilus“ rezultatas. Tačiau nemažai fizikų savo kolegų darbą sutiko gan skeptiškai. Jį buvo galima interpretuoti ne tik kaip sterilių neutrinų egzistavimo patvirtinimą, bet ir paaiškinti tuo, kad MiniBooNE Čerenkovo švytėjimu pagrįsti detektoriai negali atskirti elektronų signalų nuo fotonų, atsirandančių ne iš pagrindinio proceso – MiniBooNE elektroninius ir miuoninius neutrinus registravo pagal jų sąveiką su detektoriaus molekulėmis. Taip sukuriami elektronai aptinkami pagal jų kuriamą šviesą, o pagal energines savybes elektroninius neutrinus galima atskirti nuo miuoninių. Šiame eksperimente buvo spraga: neutrinai gali išsisklaidyti į branduolius, sukurdami neutralius pionus — o tai reiškia, kad detektoriai šių pionų skilimo metu išskiriamą šviesą galėjo priimti kaip skleidžiamą elektronų. Tokių blyksnių indėlis galėtų paaiškinti anomaliją.

Todėl įkandin šio eksperimento Fermilab atliko dar vieną, MicroBooNE, apie kurį straipsnio juodraštis pasirodė visai neseniai. Jie kruopščiau ištyrė pionų skilimo procesą ir parodė, kad jis pernelyg silpnas, kad sukeltų reikšmingą triukšmą neutrinų aptikimo duomenyse. BEST buvo atliekamas RMA branduolinių tyrimų instituto Baksano neutronų observatorijoje. Fizikai tyrė galio anomaliją, su kuria buvo susidūrę SAGE ir GALLEX. BEST ne tik patvirtino realaus elektroninių neutrinų nukrypimą nuo teorinės prognozės, bet ir padidino šio efekto patikimumą.

MiniBooNE ir BEST eksperimentai vainikuoja ilgą neutrinų anomalijų paieškų ir tyrimų kelią. Per pastarąjį ketvirtį amžiaus fizikai surinko bent pusantros dešimties įvairiausių dabartinio neutrinų modelio praplėtimo liudjimų. Tačiau nuo kitų eksperimentų ir stebėjimų šie rezultatai skiriasi aukštu statistiniu reikšmingumu. Ji pirmą kartą viršija 5σ (kas atitinka klaidos tikimybę, neviršijančią \(3×10^{−7}\) — toks patikimumas elementariųjų dalelių fizikoje laikomas pakankamu. MiniBooNE elektroninių neutrinų pertekliaus patikimumą pakėlė iki 4,8σ (o apjungiant su LSND rezultatais — net iki šešių!), o BEST rezultatą patvirtino didesniu nei 5σ patikimumu. Abu šie faktai rodo, kad atradimas pasitvirtino.

Atrodytų, galima atsipūsti su palengvėjimu – naujos dalelės galiausiai atrastos. Gi iš tiesų viskas tik dar labiau susipainiojo.

Kokie niuansai

Jei tarsime, kad BEST ir MiniBooNE atrado sterilius neutrinus, kils prieštara su daugeliu kitų stebėjimų ir matavimų.

Visų pirma, sterilūs neutrinai gadina elegantišką, jau Nobelio premija apdovanotą, Saulės neutrinų mįslės įminimą. Jeigu BEST ir MiniBooNE savo detektoriais pagavo steriliuosius neutrinus, tai elektroninių neutrinų dalis tarp Saulės skleidžiamų turėtų būti mažesnė ne tris, o keturis kartus. Alyvos ugnis lieja faktas, kad BEST — iš esmės yra Saulės neutrinus tyrusio SAGE eksperimento įpėdinis — ta pati observatorija, ta pati įranga.

Dar problema — kitų neutrinų paieškos įrenginių duomenys. Tarkime, IceCube ir DANSS sterilių neutrinų ten, kur juos išvydo BEST ir MiniBooNE, neaptiko, o Neutrino-4 rado, tačiau masių skirtumas buvo septyni kvadratiniai elektronvoltai. O tai, švelniai, tariant, – truputėlį daugiau, nei LSND gautas vienetas. Dar yra ne viena eksperimentas, neatitinkantis „sterilios“ hipotezės su viena nauja dalele. Tai, be viso kito, gali reikšti ir kad sterilių neutrinų yra daugiau nei vienas. Beje, visiems tokiems eksperimentams būdingas neaukštas statistinis patikimumas, lyginant su BEST ir MicroBooNE.

Galiausiai, trečioji problema — kosmologiniai duomenys. Jie itin nenoriai dera su lengvais steriliais neutrinais, gautais iš Žemėje atliekamų eksperimentų. Negana to, kosmologijai būtų įdomi pora ar trijulė itin masyvių sterilių neutrinų, kurie galėtų būti tamsiosios materijos kandidatais ar Visatos materijos ir antimaterijos asimetriškumo priežastimi.

Ir kas belieka

Ar visa tai reiškia, kad naujos dalelės atradimą švęsti dar anksti? Akademiškas atsakymas — taip.

Kitas klausimas, kad kol kas vieno ar kelių sterilių neutrinų idėja — gražiausia ir ekonomiškiausia hipotezė. Ji iš karto paaiškina kelis fenomenus, ir tam pakanka vos kelių naujų parametrų. Todėl sterilūs neutrinai – itin patrauklūs kandidatai paaiškinti naujus patikimus duomenis.

Pasak RMA Branduolinių tyrimų instituto vyr. mokslo darbuotojo ir vieno iš fizikų, dirbusių su BEST projektu, Dmitrijaus Gorbunovo, nereikėtų manyti, kad tiek Saulės fizikoje, tiek ir kosmologijoje neliko savų neišspręstų prieštarų. Pirmuoju atveju omenyje turimas Saulės modelio ir helioseismologinių tyrimų duomenų nesutapimas, o antruoju — Hubble'o konstantos nesutapimas, gautas, lyginant ankstyvos ir vėlyvos Visatos stebėjimų duomenis, o taip pat, skirtingais metodais gautų duomenų apie stambiąją Visatos struktūrą duomenų prieštaros. Visos šios problemos potencialiai gali būti susijusios su sterilių neutrinų problema.

Ir galiausiai, nėra antžeminiais įrenginiais atliekamų eksperimentų vienovės: skirtingos grupės tiria skirtingų neutrinų tipų (elektroninių ir miuoninių) virsmus, besiskiriančius spektrinėmis savybėmis, kas irgi gali būti svarbu. Visai nebūtų keista, jei paaiškėtų, kad, pavyzdžiui, eksperimentų su miuoniniais neutrinais, kurių energija keli šimtai megaelektronvoltų (MiniBooNe) negalima tiesiogiai lyginti su kelių šimtų kiloelektronvoltų energijos elektroninių neutrinų eksperimentais (BEST) — pernelyg stipriai skiriasi fizinės sąlygos.

Sterilių neutrinų pripažinimo „čia ir dabar“ problemos esmė – galime išmatuoti kokio nors efekto tikimybę, tačiau vienos ar kitos interpretacijos „gerumo“ išmatuoti negalime. Šiuo atveju galime orientuotis tik į elementariųjų dalelių fizikos srities specialistų konsensusą. Tačiau jo, regis, dar teks luktelėti.

Komentarai ()