Стерильные или зеркальные?
В зоопарке гипотетических частиц, претендующих на роль тёмной материи, есть, кроме аксионов ещё одна или даже класс частиц, имеющих право на существование. Это стерильные нейтрино. Или зеркальные. Причём роль зеркальных частиц в секторе тёмных неясна. Тождественны ли они, или зеркальная материя только часть тёмной - никому не известно. Как стало известно в последние десятилетия, на долю обычного вещества Вселенной приходится "всего" 4% массы, тогда как на тёмную материю приходится 22%, а на тёмную энергию все остальные 74%. Удручающая перспектива незнания, оценённая как 96%.
Откуда она взялась? Известно, что галактики и скопления галактик ведут себя так, как если бы их удерживало от распада на более мелкие составные части нечто массивное, простирающееся дальше видимого скопления звёзд и галактик - так называемое тёмное гало. При этом масса такого тёмного гало должна быть в десятки раз тяжелее видимой массы звёзд и галактик. Недостающую массу и назвали тёмной материей. На основе данных по линзированию и микролинзированию учёным удалось составить карту распределения плотности скрытой массы в различных участках Вселенной, даже для нашей Галлактики. Но вот из чего состоит сама тёмная материя?
Претендентов на столь необычное состояние материи много. Тут и асконы, и стерильные нейтрино, монополи, слабо взаимодействующие массивные частицы - так называемые вимпсы (WIMPs - Weakly interactive Massive Particles).У нейтрино явно более привилегированное место. Три вида нейтрино существует, и были обнаружены давно. Нейтрино - элементарная частица, которая отвечает за слабое взаимодействие, лежащее в основе радиоактивных распадов. С обычным веществом она реагирует только гравитационно (что пренебрежимо мало) ичерез канал слабых сил, на очень коротких расстояниях. Именно поэтому их обнаружить очень трудно. Для их детектирования созданны очень большие инструменты наблюдения. Для их детектирования можно, например, использовать огромные резервуары со сверхчистой водой и детекторами, способными зарегистрировать слабые вспышки света, которые происходят, когда нейтрино изредка взаимодействуют с молекулами воды. Такой детектор Super-Kamiokande функционирует в Японии. Чистая вода озера Байкал является нейтринной мишенью в другом глубоководном нейтринном телескопе. В детекторе IceCube, который находится в Антарктиде, вместо воды используется лед.
Со стерильным нейтрино, которое взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, дело обстоит ещё хуже. Возможность их обнаружения только по косвенным признакам. Превращение стерильного нейтрино в обычные три типа нейтрино и обратно - вот, пожалуй, единственная возможность наблюдать эту неуловимую частицу. Ещё в конце XX века было обнаружено, что нейтрино осциллирует: разные ароматы нейтрино могут переходить один в другой. По расчету, частота этих осцилляций должна быть пропорциональна разности квадратов масс, а значит, массы их уж никак не равны нулю. И вот теперь стали подозревать, что кроме классических трёх видов нейтрино есть ещё один - стерильный, не взаимодействующий с обычным веществом с помощью слабых сил. В экспериментах с Солнечным нейтрино было обнаружено исчезновение электронных нейтрино. А в экспериментах нейтринных осцилляций обнаружилось, что дополнительные электронные нейтрино появляются. Одним из обяснений этих аномалий является то, что нейтрино преобразовывались в промежуточную частицу под названием " стерильное нейтрино".
А что такое зеркальная материя, и в частности зеркальное нейтрино? Давно было замечена удивительная роль симметрии в мире. Симметричны небесные объекты, симметричны живые существа и неживая материя. Симметричны законы физики, при этом, если где-то нарушается симметрия, это становится поводом для серьёзных исследований, как например, поиск магнитного монополя, необходимый для того, чтобы законы Максвелла стали абсолютно симметричными.
В середине 50 годов XX века работавшие в Принстонском институте перспективных исследований Ли Цзундао и Янг Чженьнин при исследовании распада нейтронов, при котором образуются электроны и нейтрино, почему-то ассиметрично разлетаются в пространстве. При этом спин (вращение этих частиц) было в левую сторону, то есть обладают, как говорят физики, левым спином. Это необъяснимое предпочтение поставило физиков в тупик. Вообще, на уровне элементарных частиц физическая картина мира, были уверены ученые, строго подчиняется законам симметрии - симметрия пространственной четности (Р) и зарядового сопряжения (С) считалась незыблемой. Согласно закону зарядового сопряжения (C-симметрия), результат любого физического эксперимента не должен измениться, если каждую частицу в эксперименте заменить соответствующей античастицей. Согласно закону сохранения четности (P-симметрия), любое взаимодействие между частицами должно протекать так же, если все пространственные координаты заменить их зеркальными отображениями. То есть все “правые” характеристики при зеркальном отражении должны превратиться в “левые”, подобно тому, как в зеркале правая рука становится левой. Действительно, в “макромире” эти законы прекрасно работают. В мире же элементарных частиц, как оказалось, все может быть иначе - как ни крути, “левых” частиц больше! Получалось, что природа по непонятной причине “левша”. Но почему?!
Вот тогда-то и было впервые произнесено это слово, точнее, словосочетание - “зеркальные частицы”. Это в нашем мире частицы левозакрученные, сказали Ли и Янг, и выдвинули гипотезу о существовании “правых протонов”. О том, что где-то далеко во Вселенной, возможно, есть другие частицы - зеркальные. Они такие же, как наши, но правозакрученные, так что в целом симметрия не нарушается.
Первое разумное объяснение обнаруженной несимметричности выдвинул замечательный физик Лев Давидович Ландау, разработавший теорию комбинированной четности (CP-симметрия). Он предположил, что мифические зеркальные частицы не что иное, как античастицы, отличающиеся от наших частиц знаком электрического заряда. Для электрона античастица - положительно заряженный позитрон. Для протона - отрицательно заряженный антипротон. Замена частиц на античастицы приводит к тому, что левоориентированные электроны превращаются в правоориентированные позитроны, и симметрия в целом сохраняется: частицы обычные распадаются с избытком электронов левой ориентации, а античастицы - с избытком электронов ориентации правой. Однако и эта гипотеза не сработала - на уровне слабых взаимодействий, как выяснилось, и CP-симметрия не сохраняется!
В 1964 году на конференции в Дубне молодой американский физик Джеймс Кронин, будущий нобелевский лауреат, рассказал о результате эксперимента, который он вместе с коллегами - провел на ускорителе в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Его сообщение, что частица по имени K-ноль-два-мезон (нейтральный каон) иногда, очень редко - 1-2 раза из тысячи, распадается на два одинаковых пи-мезона (а в остальных случаях - на три), буквально произвело впечатление разорвавшейся бомбы, потому что это означало, что симметрии между частицами и античастицами нет.
Забавно, что, исследуя пучки каонов, Кронин и его коллеги своим экспериментом надеялись не опровергнуть, а как раз подтвердить правильность теории CP-симметрии, предложенной Ландау, которая подобные распады запрещала, - но зарегистрировали их. Больше того, обнаружив распады, запрещенные в рамках теории комбинированной четности, они были настолько поражены, что полгода анализировали и проверяли свои результаты, прежде чем решились их обнародовать - и в конечном итоге за экспериментальное обоснование “нарушений фундаментальных принципов симметрии при распаде нейтральных K-мезонов” они, были удостоены Нобелевской премии.
Итак, найденные “неправильные” распады каонов теорией Ландау были запрещены, и симметрия в мире элементарных частиц, казалось бы, успешно восстановленная, вновь рухнула. Античастицы ее уже не спасали - простая смена знака электрических зарядов частиц на противоположные не меняет их поведение на зеркально симметричное.
Однажды в процессе обсуждения этой проблемы в небольшом кабинете Института теоретической и экспериментальной физики, в котором и теперь работает академик Лев Борисович Окунь, они предположили, что помимо пары частица - античастица должны быть еще и их зеркальные аналоги - зеркальная частица и зеркальная античастица.
Про эти гипотетические частицы, разумеется, ничего известно не было. Кроме одного: зеркальные частицы от обычных отличает единственное качество - авторы назвали его числом Алисы (по имени той самой, из Зазеркалья), а операцию зеркального отражения частиц предложили называть A-преобразованием.
Если есть это A-число - частица зеркальная, нет его - точно такая же, но обычная. В остальном же они совершенно одинаковы - у них совпадают и спин, и электрический заряд, и вообще всё. А что такое A-число, неизвестно и сейчас. Тогда же еще совершенно неясно было, какими свойствами зеркальные частицы могли бы обладать, существуй они на самом деле, и если да - как их найти?
Остроумная гипотеза обрела черты серьезного предположения в работе Кобзарева, Окуня и Померанчука “О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц”, опубликованной в журнале “Ядерная физика” в 1966 году. В ней теоретики строго доказали: зеркальные частицы взаимодействуют между собой по всем законам квантовой механики, а с нашими, обычными частицами - только гравитационно.
Доказать это “ напрямую” не удавалось, но авторы использовали “доказательство от противного”: если бы было возможно любое другое, хоть самое незначительное взаимодействие, это обязательно проявилось бы в эксперименте - в некоторых опытах с элементарными частицами результаты получались бы другими. А этого не было. К сожалению, “увидеть”, а уж тем более “потрогать” зеркальные частицы нашими приборами нельзя в принципе, по определению, и возможность экспериментально обнаружить зеркальное вещество уже тогда представлялась авторам весьма сомнительной.
Похоже, эта идея так и осталась бы достоянием узкого круга специалистов, если бы не проблема темной материи, в решение которой гипотеза о материи зеркальной вписывается на редкость удачно.
Хорошо, а причём тут зеркальный нейтрино? Если существуют осцилляции между разными типами нейтрино, когда они переходят из одного вида (электронное, мюонное и тау нейтрино) в другое, а при некоторых экспериментах "исчезают" или вновь образуются из "неоткуда", то, возможно, предположить существование зеркальных двойников нейтрино, соответствующих каноническим электронным, мюонным и тау нейтрино.
Какова реальность зеркальных или стерильных нейтрино покажет будущее. Поиск частиц тёмной материи только начинается.
http://www.membrana.ru/particle/263
https://vk.com/page-35207911_47760738
https://chrdk.ru/sci/sterile_neutrino
http://victorpetrov.ru/sterilnye-nejtrino-i-temnaya-materiya.html
http://i-nauka.ru/publ/fizika/ehlementarnye_chasticy/sterilnye_nejtrino_shag_k_revoljucionnoj_fizike/14-1-0-154
http://i-nauka.ru/publ/fizika/ehlementarnye_chasticy/esli_ne_vimp_to_chto/14-1-0-150
Откуда она взялась? Известно, что галактики и скопления галактик ведут себя так, как если бы их удерживало от распада на более мелкие составные части нечто массивное, простирающееся дальше видимого скопления звёзд и галактик - так называемое тёмное гало. При этом масса такого тёмного гало должна быть в десятки раз тяжелее видимой массы звёзд и галактик. Недостающую массу и назвали тёмной материей. На основе данных по линзированию и микролинзированию учёным удалось составить карту распределения плотности скрытой массы в различных участках Вселенной, даже для нашей Галлактики. Но вот из чего состоит сама тёмная материя?
Претендентов на столь необычное состояние материи много. Тут и асконы, и стерильные нейтрино, монополи, слабо взаимодействующие массивные частицы - так называемые вимпсы (WIMPs - Weakly interactive Massive Particles).У нейтрино явно более привилегированное место. Три вида нейтрино существует, и были обнаружены давно. Нейтрино - элементарная частица, которая отвечает за слабое взаимодействие, лежащее в основе радиоактивных распадов. С обычным веществом она реагирует только гравитационно (что пренебрежимо мало) ичерез канал слабых сил, на очень коротких расстояниях. Именно поэтому их обнаружить очень трудно. Для их детектирования созданны очень большие инструменты наблюдения. Для их детектирования можно, например, использовать огромные резервуары со сверхчистой водой и детекторами, способными зарегистрировать слабые вспышки света, которые происходят, когда нейтрино изредка взаимодействуют с молекулами воды. Такой детектор Super-Kamiokande функционирует в Японии. Чистая вода озера Байкал является нейтринной мишенью в другом глубоководном нейтринном телескопе. В детекторе IceCube, который находится в Антарктиде, вместо воды используется лед.
Со стерильным нейтрино, которое взаимодействует с обычным веществом только гравитационно, дело обстоит ещё хуже. Возможность их обнаружения только по косвенным признакам. Превращение стерильного нейтрино в обычные три типа нейтрино и обратно - вот, пожалуй, единственная возможность наблюдать эту неуловимую частицу. Ещё в конце XX века было обнаружено, что нейтрино осциллирует: разные ароматы нейтрино могут переходить один в другой. По расчету, частота этих осцилляций должна быть пропорциональна разности квадратов масс, а значит, массы их уж никак не равны нулю. И вот теперь стали подозревать, что кроме классических трёх видов нейтрино есть ещё один - стерильный, не взаимодействующий с обычным веществом с помощью слабых сил. В экспериментах с Солнечным нейтрино было обнаружено исчезновение электронных нейтрино. А в экспериментах нейтринных осцилляций обнаружилось, что дополнительные электронные нейтрино появляются. Одним из обяснений этих аномалий является то, что нейтрино преобразовывались в промежуточную частицу под названием " стерильное нейтрино".
А что такое зеркальная материя, и в частности зеркальное нейтрино? Давно было замечена удивительная роль симметрии в мире. Симметричны небесные объекты, симметричны живые существа и неживая материя. Симметричны законы физики, при этом, если где-то нарушается симметрия, это становится поводом для серьёзных исследований, как например, поиск магнитного монополя, необходимый для того, чтобы законы Максвелла стали абсолютно симметричными.
В середине 50 годов XX века работавшие в Принстонском институте перспективных исследований Ли Цзундао и Янг Чженьнин при исследовании распада нейтронов, при котором образуются электроны и нейтрино, почему-то ассиметрично разлетаются в пространстве. При этом спин (вращение этих частиц) было в левую сторону, то есть обладают, как говорят физики, левым спином. Это необъяснимое предпочтение поставило физиков в тупик. Вообще, на уровне элементарных частиц физическая картина мира, были уверены ученые, строго подчиняется законам симметрии - симметрия пространственной четности (Р) и зарядового сопряжения (С) считалась незыблемой. Согласно закону зарядового сопряжения (C-симметрия), результат любого физического эксперимента не должен измениться, если каждую частицу в эксперименте заменить соответствующей античастицей. Согласно закону сохранения четности (P-симметрия), любое взаимодействие между частицами должно протекать так же, если все пространственные координаты заменить их зеркальными отображениями. То есть все “правые” характеристики при зеркальном отражении должны превратиться в “левые”, подобно тому, как в зеркале правая рука становится левой. Действительно, в “макромире” эти законы прекрасно работают. В мире же элементарных частиц, как оказалось, все может быть иначе - как ни крути, “левых” частиц больше! Получалось, что природа по непонятной причине “левша”. Но почему?!
Вот тогда-то и было впервые произнесено это слово, точнее, словосочетание - “зеркальные частицы”. Это в нашем мире частицы левозакрученные, сказали Ли и Янг, и выдвинули гипотезу о существовании “правых протонов”. О том, что где-то далеко во Вселенной, возможно, есть другие частицы - зеркальные. Они такие же, как наши, но правозакрученные, так что в целом симметрия не нарушается.
Первое разумное объяснение обнаруженной несимметричности выдвинул замечательный физик Лев Давидович Ландау, разработавший теорию комбинированной четности (CP-симметрия). Он предположил, что мифические зеркальные частицы не что иное, как античастицы, отличающиеся от наших частиц знаком электрического заряда. Для электрона античастица - положительно заряженный позитрон. Для протона - отрицательно заряженный антипротон. Замена частиц на античастицы приводит к тому, что левоориентированные электроны превращаются в правоориентированные позитроны, и симметрия в целом сохраняется: частицы обычные распадаются с избытком электронов левой ориентации, а античастицы - с избытком электронов ориентации правой. Однако и эта гипотеза не сработала - на уровне слабых взаимодействий, как выяснилось, и CP-симметрия не сохраняется!
В 1964 году на конференции в Дубне молодой американский физик Джеймс Кронин, будущий нобелевский лауреат, рассказал о результате эксперимента, который он вместе с коллегами - провел на ускорителе в Брукхейвенской национальной лаборатории (США). Его сообщение, что частица по имени K-ноль-два-мезон (нейтральный каон) иногда, очень редко - 1-2 раза из тысячи, распадается на два одинаковых пи-мезона (а в остальных случаях - на три), буквально произвело впечатление разорвавшейся бомбы, потому что это означало, что симметрии между частицами и античастицами нет.
Забавно, что, исследуя пучки каонов, Кронин и его коллеги своим экспериментом надеялись не опровергнуть, а как раз подтвердить правильность теории CP-симметрии, предложенной Ландау, которая подобные распады запрещала, - но зарегистрировали их. Больше того, обнаружив распады, запрещенные в рамках теории комбинированной четности, они были настолько поражены, что полгода анализировали и проверяли свои результаты, прежде чем решились их обнародовать - и в конечном итоге за экспериментальное обоснование “нарушений фундаментальных принципов симметрии при распаде нейтральных K-мезонов” они, были удостоены Нобелевской премии.
Итак, найденные “неправильные” распады каонов теорией Ландау были запрещены, и симметрия в мире элементарных частиц, казалось бы, успешно восстановленная, вновь рухнула. Античастицы ее уже не спасали - простая смена знака электрических зарядов частиц на противоположные не меняет их поведение на зеркально симметричное.
Однажды в процессе обсуждения этой проблемы в небольшом кабинете Института теоретической и экспериментальной физики, в котором и теперь работает академик Лев Борисович Окунь, они предположили, что помимо пары частица - античастица должны быть еще и их зеркальные аналоги - зеркальная частица и зеркальная античастица.
Про эти гипотетические частицы, разумеется, ничего известно не было. Кроме одного: зеркальные частицы от обычных отличает единственное качество - авторы назвали его числом Алисы (по имени той самой, из Зазеркалья), а операцию зеркального отражения частиц предложили называть A-преобразованием.
Если есть это A-число - частица зеркальная, нет его - точно такая же, но обычная. В остальном же они совершенно одинаковы - у них совпадают и спин, и электрический заряд, и вообще всё. А что такое A-число, неизвестно и сейчас. Тогда же еще совершенно неясно было, какими свойствами зеркальные частицы могли бы обладать, существуй они на самом деле, и если да - как их найти?
Остроумная гипотеза обрела черты серьезного предположения в работе Кобзарева, Окуня и Померанчука “О возможности экспериментального обнаружения зеркальных частиц”, опубликованной в журнале “Ядерная физика” в 1966 году. В ней теоретики строго доказали: зеркальные частицы взаимодействуют между собой по всем законам квантовой механики, а с нашими, обычными частицами - только гравитационно.
Доказать это “ напрямую” не удавалось, но авторы использовали “доказательство от противного”: если бы было возможно любое другое, хоть самое незначительное взаимодействие, это обязательно проявилось бы в эксперименте - в некоторых опытах с элементарными частицами результаты получались бы другими. А этого не было. К сожалению, “увидеть”, а уж тем более “потрогать” зеркальные частицы нашими приборами нельзя в принципе, по определению, и возможность экспериментально обнаружить зеркальное вещество уже тогда представлялась авторам весьма сомнительной.
Похоже, эта идея так и осталась бы достоянием узкого круга специалистов, если бы не проблема темной материи, в решение которой гипотеза о материи зеркальной вписывается на редкость удачно.
Хорошо, а причём тут зеркальный нейтрино? Если существуют осцилляции между разными типами нейтрино, когда они переходят из одного вида (электронное, мюонное и тау нейтрино) в другое, а при некоторых экспериментах "исчезают" или вновь образуются из "неоткуда", то, возможно, предположить существование зеркальных двойников нейтрино, соответствующих каноническим электронным, мюонным и тау нейтрино.
Какова реальность зеркальных или стерильных нейтрино покажет будущее. Поиск частиц тёмной материи только начинается.
http://www.membrana.ru/particle/263
https://vk.com/page-35207911_47760738
https://chrdk.ru/sci/sterile_neutrino
http://victorpetrov.ru/sterilnye-nejtrino-i-temnaya-materiya.html
http://i-nauka.ru/publ/fizika/ehlementarnye_chasticy/sterilnye_nejtrino_shag_k_revoljucionnoj_fizike/14-1-0-154
http://i-nauka.ru/publ/fizika/ehlementarnye_chasticy/esli_ne_vimp_to_chto/14-1-0-150