Нейтрино - це, мабуть, найбільш дивовижна з відомих частинок. Вони просто перекладають усі відомі правила того, як повинні поводитися частинки. Вони насміхаються з наших фантазійних детекторів. Як і космічні коти, вони безтурботно чи піклуються по всій Всесвіті, періодично взаємодіючи з іншими нами, але насправді лише тоді, коли їм це здається, що, чесно кажучи, не так часто.
Найбільше засмучує, вони носять маски і ніколи не виглядають однаково двічі.
Але новий експеримент, можливо, зробив нас лише на крок ближче до того, щоб зірвати ці маски. Виявлення справжньої нейтринної ідентичності може допомогти відповісти на давні питання, наприклад, чи є нейтрино їх власними партнерами по антиматерії, і це навіть може допомогти об'єднати сили природи в одну згуртовану теорію.
Масова проблема
Нейтрино дивні. Існує три види: електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау нейтрино. (Існують також античастинки версії цих трьох, але це не велика частина цієї історії.) Їх так називають, оскільки ці три види потрапляють у партію з трьома різними видами частинок. Електронні нейтрино приєднуються до взаємодій за участю електронів. Мюонні нейтрино поєднуються з мюонами. Бали не будуть присвоєні за здогадки, з чим взаємодіє тау-нейтрино.
Поки що це зовсім не дивно. Ось дивна частина.
Для частинок, які є ні нейтрино - як електрони, мюони і частинки тау - те, що ви бачите, те, що ви отримуєте. Ці частинки абсолютно однакові, за винятком їх маси. Якщо ви помітите частинку з масою електрона, вона буде поводитись так, як повинен поводитися електрон, і те ж саме стосується мюона і тау. Більше того, як тільки ви помітите електрон, він завжди буде електроном. Нічого більше, нічого менше. Те саме для мюона та тау.
Але те ж саме не стосується їх двоюрідних братів, електронних, мюонних і тау нейтрино.
Те, що ми називаємо, скажімо, "тау-нейтрино" - це не завжди тау-нейтрино. Це може змінити свою особу. Він може стати середнім польотом, нейтроном електронів або мюонів.
Це дивне явище, яке в основному ніхто не сподівався, називається нейтрино коливанням. Це означає, серед іншого, що ви можете створити електронне нейтрино і надіслати його в подарунок своєму найкращому другу. Але до моменту їх отримання вони можуть бути розчаровані, знайшовши замість себе тау нейтрино.
Teeter-totter
З технічних причин коливання нейтрино працює лише за наявності трьох нейтрино з трьома різними масами. Але нейтрино, що коливається, - це не нейтрони з ароматом електрон, мюон та тау.
Натомість є три "справжні" нейтрино, кожне з різною, але невідомою масою. Виразний поєднання цих справжніх, фундаментальних нейтрино створює кожен з нейтрино ароматів, які ми виявляємо в наших лабораторіях (електрон, мюон, тау). Отже, вимірювана в лабораторії маса - це якась суміш цих справжніх нейтринових мас. Тим часом, маса кожного справжнього нейтрино в суміші визначає, як часто він перетворюється на кожен з різних ароматів.
Завдання для фізиків зараз полягає в розриві всіх взаємозв'язків: Які маси цих справжніх нейтрино і як вони змішуються разом, щоб зробити три аромати?
Отже, фізики збираються розкрити масу "справжніх" нейтрино, дивлячись, коли і як часто вони перемикають аромати. Знову ж таки, фізичний жаргон дуже корисний при поясненні цього, оскільки назви цих трьох нейтрино просто m1, m2 і m3.
Різноманітні кропіткі експерименти вчили вчених деяких речей про маси справжніх нейтрино, принаймні побічно. Наприклад, ми знаємо про деякі відносини між квадратом мас. Але ми точно не знаємо, скільки важить будь-яке справжнє нейтрино, і ми не знаємо, які з них важчі.
Можливо, м3 є найважчим, значно перевищує м2 і m1. Це називається "нормальне впорядкування", тому що воно здається досить нормальним - і це фізики, що впорядковують, по суті здогадалися десятиліття тому. Але, виходячи з нашого сучасного рівня знань, також може бути, що м2 є найважчим нейтрино, з m1 не відстає і м3 невисокий порівняно. Цей сценарій називається "перевернуте впорядкування", оскільки це означає, що ми спочатку здогадалися про неправильний порядок.
Звичайно, існують табори теоретиків, щоб кожен із цих сценаріїв був правдивим. Теорії, які намагаються об'єднати всі (або принаймні більшість) сил природи під одним дахом, зазвичай вимагають нормального впорядкування нейтрино-маси. З іншого боку, впорядковане масове впорядкування необхідне для того, щоб нейтрино було власним близнюком античастинок. І якби це було правдою, це може допомогти пояснити, чому у Всесвіті більше матерії, ніж антиматерії.
Тренування DeepCore
Що це: нормальне чи перевернуте? Це одне з найбільших питань, що виникає з останніх декількох десятиліть нейтринних досліджень, і саме таке питання, на яке мав відповісти масивна обсерваторія Нейтрино IceCube. Розташована на Південному полюсі, обсерваторія складається з десятків струн детекторів, занурених в Антарктичний крижаний аркуш, з центральним "DeepCore" з восьми струн більш ефективних детекторів, здатних бачити взаємодії з нижчою енергією.
Нейтрино ледве розмовляє з нормальною речовиною, тому вони цілком здатні струмувати прямо через тіло самої Землі. І коли вони це роблять, вони перетворюються на різні смаки. Кожен раз у рідкісний час вони вдарять по молекулі в Антарктичному льодовому листі біля детектора IceCube, викликаючи каскадний зливи частинок, які випромінюють напрочуд синє світло під назвою випромінювання Черенкова. Саме це світло визначає струни IceCube.
У нещодавньому документі, опублікованому в журналі перед друком arXiv, вчені IceCube використали трирічні дані DeepCore для вимірювання кількості кожного виду нейтрино, що пройшло через Землю. Зрозуміло, прогрес повільний, тому що нейтрино так важко зловити. Але в цьому творі. вчені повідомляють про незначну перевагу в даних для звичайного замовлення (це означало б, що ми здогадалися прямо десятиліття тому). Однак вони ще нічого не знайшли занадто переконливого.
Це все, що ми отримаємо? Звичайно, ні. IceCube незабаром готується до великого оновлення, і нові експерименти, такі як Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) та Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), також готуються до вирішення цього центрального питання. Хто знав, що таке просте запитання про впорядкування нейтрино мас розкриє стільки того, як працює Всесвіт? Це занадто погано, це теж непросте питання.
Пол М. Саттер є астрофізиком в Державний університет штату Огайо, господар "Запитайте космонавта" і "Космічне радіо, "та автор"Ваше місце у Всесвіті."
