Стандартная модель - всё?
Плох тот физик, что не хочет пробить брешь в Стандартной модели. Кажется, лучше всего в этом преуспели исследователи нейтрино. Уже четверть века ученые получают противоречивые данные об их свойствах, но достоверности этих экспериментов пока было недостаточно, чтобы говорить о Новой физике. Это может поменяться: осенью 2021 года появились экспериментальные данные, которые совершенно точно говорят о том, что Стандартной модели нам больше недостаточно. Рассказываем, что случилось и что это может значить для физики.
Нейтрино появилось в физике частиц почти сто лет назад - как решение проблемы с несоблюдением законов сохранения энергии в бета-распаде. До открытия нейтрино бета-распад, наблюдавшийся в ядрах, представляли как превращение нейтрона в протон с испусканием одного лишь электрона. Учитывая, что ни протон, ни нейтрон никуда не убегают, кинетическая энергия электрона должна была принимать строго определенное значение, либо дискретный их набор. В реальности же спектр электронов оказывался всегда непрерывным. Решение этой проблемы предполагало либо нарушение закона сохранения энергии, либо введение новой частицы, которая делила с электроном эту энергетическую разницу случайным образом. Физики выбрали второй путь.
Через двадцать лет практически неуловимую частицу - она участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии, поэтому в буквальном смысле проходит сквозь материю - поймали, и физики поняли, что приняли правильное решение. Вскоре стало ясно, что каждому лептону: электрону, мюону и таону - соответствует свое безмассовое нейтрино. Все они заняли свое место в Стандартной модели.
Стандартная модель элементарных частиц
Практически сразу после своего рождения нейтринная модель столкнулась с трудностями. Наблюдения за потоками нейтрино, долетающими до нас от Солнца показали, что доля электронных нейтрино в них в три раза меньше, чем предсказывает Стандартная солнечная модель, описывающая физику процессов в нашей звезде. Похожие проблемы возникли и при изучении долей мюонных нейтрино, возникающих в атмосфере вместе с мюонами при ее бомбардировке космическими лучами. Все эти затруднения объяснил механизм нейтринных осциляций, описывающий превращение нейтрино разных типов друг в друга. Их экспериментальное подтверждение стало поводом для присуждения Нобелевской премии в 2015 году.
Превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого носит вероятностный характер. Эта вероятность периодически зависит от расстояния, которое пролетает нейтрино. Ее осцилляции происходят тем чаще, чем больше разность квадратов масс обеих частиц. Причиной осцилляций становится тот факт, что состояния с определенным ароматом (квантовым числом, характеризующим тип лептона), говоря на языке квантовой механики, не являются состояниями с определенной массой.
Предполагаемая зависимость ароматического состава нейтрино с энергией 4 мегаэлектронвольт от пройденного им расстояния P. Vogel et al. / Nature Communications, 2015
Другим словами, для участия в слабых превращениях нейтрино требуется один тип квантовых чисел, в то время как для их свободного распространения - другой, поэтому летящее нейтрино постоянно находится в состоянии квантовой суперпозиции. Впрочем, в этом нейтрино не одиноки: помимо них, в подобных осцилляциях участвуют другие нейтральные частицы, например очарованный D0-мезон. Возможно, заряженные лептоны тоже могли бы превращаться друг в друга, но превращениям электрона в мюон или в таон мешает гигантская разница их масс, которая существенно превышает неопределенности их измерения и потому мгновенно разрушает квантовую суперпозицию.
Стоит отметить, однако, одну важную особенность нейтринных осцилляций, которая нам еще понадобится. То, что нейтрино в принципе могут осциллировать, говорит, что у них есть массы и даже позволяет вычислить разности их квадратов (7,5×10−5 и 2,5×10−3 квадратных электронвольт, соответственно).
Правда, определить сами массы мы пока не смогли. Кое-какие ограничения по массе нейтрино нам дают наблюдения за реликтовым излучением и данные о распространенности галактик во Вселенной. С их помощью мы знаем, что сумма масс всех трех нейтрино не превышает десятых долей электронвольта. Для сравнения: масса электрона - следующей по тяжести частицы Стандартной модели - равна 0,51 мегаэлектронвольта. Точное значение масс нейтрино, тем не менее, остается загадкой, ответ на которую может иметь значение для космологии.
Проблемы продолжаются
Параллельно с превращением гипотезы об осцилляции нейтрино в надежную теорию копились экспериментальные факты, которые требовали двигаться еще дальше.
К числу первых можно отнести результат эксперимента LSND, который проводила Лос-Аламосская национальная лаборатория с 1993 по 1998 год. Из него следовало, что разница между квадратами масс электронных и мюонных антинейтрино равна одному квадратному электронвольту - что существенно больше, чем полученное ранее значение. Эту аномалию можно было бы объяснить, сказав, что существует еще один тип нейтрино, стерильный, - который не участвует даже в слабых взаимодействиях, а проявляет себя исключительно через осцилляции с известными нам нейтрино. Его масса как раз отличалась бы своим квадратом от масс активных нейтрино на ту самую единицу, которая «потерялась» на LSND.
Эту гипотезу поддержали результаты двух экспериментов по изучению солнечных нейтрино, SAGE и GALLEX, проводившихся примерно в это же время. При калибровке галлиевых детекторов в обоих случаях обнаружилась так называемая галлиевая аномалия: отклонение числа электронных нейтрино, которые улавливали детекторы, от значения, предсказываемого в рамках существующей теории. Аномалию могло бы объяснить превращение электронного нейтрино в стерильные примерно с той же разницей квадратов масс, что и в случае LSND.
Проблема этих и еще нескольких экспериментальных свидетельств в пользу существования стерильного нейтрино заключалась в недостаточной статистической значимости (менее 3σ) их результатов. По этой причине и были запущены эксперименты MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) и BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions).
Что случилось осенью 2021 года
Первый эксперимент проводила Национальная исследовательская лаборатория имени Энрико Ферми (Fermilab, США). В 2018 году он получил «положительно стерильный» результат. Однако ряд физиков встретил работу своих коллег с некоторым скепсисом. Ее можно было понимать не только, как подтверждение существования стерильных нейтрино, но и объяснить тем, что черенковские детекторы MiniBooNE не могут отличить сигналы электронов от фотонов, рождаемых в обход основного процесса.
Дело в том, что MiniBooNE регистрировал электронные и мюонные нейтрино по их взаимодействию с молекулами детектора. Рождаемые в результате этого электроны детектировались по создаваемому ими свету, а их энергетические свойства позволяли отличить электронное нейтрино от мюонного. В эксперименте был изъян: нейтрино могут рассеиваться на ядрах с рождением нейтральных пионов - а это значит, что детекторы могли принять свет от распада этих пионов за свет электронов. Вклад от этих вспышек мог бы объяснить аномалию.
Поэтому следом за этим в Фермилаб провели еще один эксперимент, MicroBooNE, чей препринт появился недавно. Они более тщательно изучили процесс распада пионов и показали, что его интенсивность слишком слаба, чтобы вносить ощутимый шум в данные детектирования нейтрино.
BEST проводился в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Физики изучали галлиевую аномалию, с которой до этого столкнулись SAGE и GALLEX. BEST отклонение реального числа электронных нейтрино от теоретического предсказания не только подтвердил, но и увеличил достоверность этого эффекта.
Гора Андырчи, под которой расположена Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН
Эксперименты MiniBooNE и BEST венчают собой долгий путь по поиску и исследованию нейтринных аномалий. За последнюю четверть века физики получили не менее полутора десятков разнообразных свидетельств того, что нынешняя нейтринная модель требует какого-то расширения. Но от прочих экспериментов и наблюдений нынешние результаты отличает высокая статистическая значимость. Она впервые превышает 5σ (что соответствует вероятности ошибки, не превышающей 3×10^-7) - подобную достоверность в физике элементарных частиц принято считать достаточной. MiniBooNE довел достоверность избытка электронных нейтрино до 4,8σ (а в случае комбинации с результатами LSND - все шесть!), а BEST подтвердил их недостаток с достоверностью более 5σ. Оба эти факта говорят: открытие подтвердилось.
Казалось бы, после этого можно было бы сказать, что мы наконец-то обнаружили новые частицы. На деле же все лишь запуталось еще сильнее.
В чем нюанс
Дело в том, что если мы скажем, что BEST и MiniBooNE открыли стерильные нейтрино, то войдем в противоречие с рядом других наблюдений и измерений.
В первую очередь, стерильные нейтрино портят элегантное разрешение загадки солнечных нейтрино, за которое уже вручили Нобелевскую премию. Если BEST и MiniBooNE поймали в свои детекторы стерильные нейтрино, то доля электронных нейтрино в солнечных должна быть не в три, а в четыре раза меньше. Масла в огонь подливает тот факт, что BEST - это, фактически, наследник эксперимента SAGE, изучавшего солнечные нейтрино - та же самая обсерватория, то же самое оборудование.
Реакторы, которые использовались в эксперименте BEST по изучению галлиевой аномалии ИЯИ РАН
Другая проблема - это данные с других установок по поиску нейтрино. Так, IceCube и DANSS не нашли стерильных нейтрино там, где их увидели BEST и MiniBooNE, а Neutrino-4 нашел, но с массовой разницей, равной семи квадратным электронвольтам. А это немного выше единицы, полученной в LSND. Существует еще ряд экспериментов, не согласующихся со «стерильной» гипотезой с одной новой частицей. Это может значить также и то, что стерильных нейтрино на самом деле больше одного. Впрочем, для всех этих экспериментов характерна невысокая статистическая значимость по сравнению с BEST и MicroBooNE.
Область параметров стерильного нейтрино (разность квадратов масс и угол смешивания), «разрешенная» объединенным анализом нескольких экспериментов Vladislav Barinov and Dmitry Gorbunov / arXiv, 2021
Наконец, третья проблема - это космологические данные. Они крайне неохотно сочетаются с легкими стерильными нейтрино, которые получили в экспериментах на Земле. Более того, для космологии интерес представляла бы пара или тройка очень тяжелых стерильных нейтрино, которые могли бы быть кандидатами на темную материю или причиной асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
И как быть дальше
Значит ли это все, что про открытие новой частицы говорить пока рано? Академический ответ на этот вопрос - да.
Другой вопрос, что идея одного или нескольких стерильных нейтрино - это пока самая красивая и экономная гипотеза. Она и объясняет сразу несколько феноменов, и требует введения малого числа параметров. Это делает стерильные нейтрино крайне привлекательным кандидатом для объяснения новых достоверных данных.
По словам главного научного сотрудника ИЯИ РАН и одного из физиков, работавших над проектом BEST, Дмитрия Горбунова, не стоит списывать со счетов, что и внутри физики Солнца, и в космологии до сих пор остались свои нерешенные противоречия. В первом случае речь идет о нестыковках между солнечной моделью и данными гелиосейсмологии, а во втором - о различии между значениями постоянной Хаббла на основе наблюдательных данных из ранней и поздней Вселенной, а также противоречии данных о крупномасштабной структуре Вселенной, полученных разными методами. Все эти проблемы потенциально могут быть связаны с проблемой стерильных нейтрино.
Наконец, нет единообразия и в экспериментах с наземными установками: разные группы исследуют превращения разных типов нейтрино (электронных и мюонных) с различными спектральными свойствами, что тоже может иметь значение. Вполне может оказаться, что, например, эксперименты с мюонными нейтрино с энергиями в несколько сотен мегаэлектронвольт (MiniBooNe) нельзя напрямую сравнивать с экспериментами с электронными нейтрино с энергиями в несколько сотен килоэлектронвольт (BEST) - слишком разные физические условия.
Проблема признания стерильных нейтрино здесь и сейчас заключается в том, что мы можем измерить достоверность какого-либо эффекта, но не можем измерить «хорошесть» той или иной его интерпретации. Единственное, на что в этом случае можно ориентироваться, - это консенсус специалистов в области физики элементарных частиц. Но его пока, кажется, придется подождать.
Марат Хамадеев
https://zen.yandex.ru/media/nplus1/standartnaia-model--vse-624acc13cdf6b456abcaf279?&
Нейтрино появилось в физике частиц почти сто лет назад - как решение проблемы с несоблюдением законов сохранения энергии в бета-распаде. До открытия нейтрино бета-распад, наблюдавшийся в ядрах, представляли как превращение нейтрона в протон с испусканием одного лишь электрона. Учитывая, что ни протон, ни нейтрон никуда не убегают, кинетическая энергия электрона должна была принимать строго определенное значение, либо дискретный их набор. В реальности же спектр электронов оказывался всегда непрерывным. Решение этой проблемы предполагало либо нарушение закона сохранения энергии, либо введение новой частицы, которая делила с электроном эту энергетическую разницу случайным образом. Физики выбрали второй путь.
Через двадцать лет практически неуловимую частицу - она участвует только в слабом и гравитационном взаимодействии, поэтому в буквальном смысле проходит сквозь материю - поймали, и физики поняли, что приняли правильное решение. Вскоре стало ясно, что каждому лептону: электрону, мюону и таону - соответствует свое безмассовое нейтрино. Все они заняли свое место в Стандартной модели.
Стандартная модель элементарных частиц
Практически сразу после своего рождения нейтринная модель столкнулась с трудностями. Наблюдения за потоками нейтрино, долетающими до нас от Солнца показали, что доля электронных нейтрино в них в три раза меньше, чем предсказывает Стандартная солнечная модель, описывающая физику процессов в нашей звезде. Похожие проблемы возникли и при изучении долей мюонных нейтрино, возникающих в атмосфере вместе с мюонами при ее бомбардировке космическими лучами. Все эти затруднения объяснил механизм нейтринных осциляций, описывающий превращение нейтрино разных типов друг в друга. Их экспериментальное подтверждение стало поводом для присуждения Нобелевской премии в 2015 году.
Превращение нейтрино одного типа в нейтрино другого носит вероятностный характер. Эта вероятность периодически зависит от расстояния, которое пролетает нейтрино. Ее осцилляции происходят тем чаще, чем больше разность квадратов масс обеих частиц. Причиной осцилляций становится тот факт, что состояния с определенным ароматом (квантовым числом, характеризующим тип лептона), говоря на языке квантовой механики, не являются состояниями с определенной массой.
Предполагаемая зависимость ароматического состава нейтрино с энергией 4 мегаэлектронвольт от пройденного им расстояния P. Vogel et al. / Nature Communications, 2015
Другим словами, для участия в слабых превращениях нейтрино требуется один тип квантовых чисел, в то время как для их свободного распространения - другой, поэтому летящее нейтрино постоянно находится в состоянии квантовой суперпозиции. Впрочем, в этом нейтрино не одиноки: помимо них, в подобных осцилляциях участвуют другие нейтральные частицы, например очарованный D0-мезон. Возможно, заряженные лептоны тоже могли бы превращаться друг в друга, но превращениям электрона в мюон или в таон мешает гигантская разница их масс, которая существенно превышает неопределенности их измерения и потому мгновенно разрушает квантовую суперпозицию.
Стоит отметить, однако, одну важную особенность нейтринных осцилляций, которая нам еще понадобится. То, что нейтрино в принципе могут осциллировать, говорит, что у них есть массы и даже позволяет вычислить разности их квадратов (7,5×10−5 и 2,5×10−3 квадратных электронвольт, соответственно).
Правда, определить сами массы мы пока не смогли. Кое-какие ограничения по массе нейтрино нам дают наблюдения за реликтовым излучением и данные о распространенности галактик во Вселенной. С их помощью мы знаем, что сумма масс всех трех нейтрино не превышает десятых долей электронвольта. Для сравнения: масса электрона - следующей по тяжести частицы Стандартной модели - равна 0,51 мегаэлектронвольта. Точное значение масс нейтрино, тем не менее, остается загадкой, ответ на которую может иметь значение для космологии.
Проблемы продолжаются
Параллельно с превращением гипотезы об осцилляции нейтрино в надежную теорию копились экспериментальные факты, которые требовали двигаться еще дальше.
К числу первых можно отнести результат эксперимента LSND, который проводила Лос-Аламосская национальная лаборатория с 1993 по 1998 год. Из него следовало, что разница между квадратами масс электронных и мюонных антинейтрино равна одному квадратному электронвольту - что существенно больше, чем полученное ранее значение. Эту аномалию можно было бы объяснить, сказав, что существует еще один тип нейтрино, стерильный, - который не участвует даже в слабых взаимодействиях, а проявляет себя исключительно через осцилляции с известными нам нейтрино. Его масса как раз отличалась бы своим квадратом от масс активных нейтрино на ту самую единицу, которая «потерялась» на LSND.
Эту гипотезу поддержали результаты двух экспериментов по изучению солнечных нейтрино, SAGE и GALLEX, проводившихся примерно в это же время. При калибровке галлиевых детекторов в обоих случаях обнаружилась так называемая галлиевая аномалия: отклонение числа электронных нейтрино, которые улавливали детекторы, от значения, предсказываемого в рамках существующей теории. Аномалию могло бы объяснить превращение электронного нейтрино в стерильные примерно с той же разницей квадратов масс, что и в случае LSND.
Проблема этих и еще нескольких экспериментальных свидетельств в пользу существования стерильного нейтрино заключалась в недостаточной статистической значимости (менее 3σ) их результатов. По этой причине и были запущены эксперименты MiniBooNE (Booster Neutrino Experiment) и BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions).
Что случилось осенью 2021 года
Первый эксперимент проводила Национальная исследовательская лаборатория имени Энрико Ферми (Fermilab, США). В 2018 году он получил «положительно стерильный» результат. Однако ряд физиков встретил работу своих коллег с некоторым скепсисом. Ее можно было понимать не только, как подтверждение существования стерильных нейтрино, но и объяснить тем, что черенковские детекторы MiniBooNE не могут отличить сигналы электронов от фотонов, рождаемых в обход основного процесса.
Дело в том, что MiniBooNE регистрировал электронные и мюонные нейтрино по их взаимодействию с молекулами детектора. Рождаемые в результате этого электроны детектировались по создаваемому ими свету, а их энергетические свойства позволяли отличить электронное нейтрино от мюонного. В эксперименте был изъян: нейтрино могут рассеиваться на ядрах с рождением нейтральных пионов - а это значит, что детекторы могли принять свет от распада этих пионов за свет электронов. Вклад от этих вспышек мог бы объяснить аномалию.
Поэтому следом за этим в Фермилаб провели еще один эксперимент, MicroBooNE, чей препринт появился недавно. Они более тщательно изучили процесс распада пионов и показали, что его интенсивность слишком слаба, чтобы вносить ощутимый шум в данные детектирования нейтрино.
BEST проводился в Баксанской нейтринной обсерватории Института ядерных исследований РАН. Физики изучали галлиевую аномалию, с которой до этого столкнулись SAGE и GALLEX. BEST отклонение реального числа электронных нейтрино от теоретического предсказания не только подтвердил, но и увеличил достоверность этого эффекта.
Гора Андырчи, под которой расположена Баксанская нейтринная обсерватория ИЯИ РАН
Эксперименты MiniBooNE и BEST венчают собой долгий путь по поиску и исследованию нейтринных аномалий. За последнюю четверть века физики получили не менее полутора десятков разнообразных свидетельств того, что нынешняя нейтринная модель требует какого-то расширения. Но от прочих экспериментов и наблюдений нынешние результаты отличает высокая статистическая значимость. Она впервые превышает 5σ (что соответствует вероятности ошибки, не превышающей 3×10^-7) - подобную достоверность в физике элементарных частиц принято считать достаточной. MiniBooNE довел достоверность избытка электронных нейтрино до 4,8σ (а в случае комбинации с результатами LSND - все шесть!), а BEST подтвердил их недостаток с достоверностью более 5σ. Оба эти факта говорят: открытие подтвердилось.
Казалось бы, после этого можно было бы сказать, что мы наконец-то обнаружили новые частицы. На деле же все лишь запуталось еще сильнее.
В чем нюанс
Дело в том, что если мы скажем, что BEST и MiniBooNE открыли стерильные нейтрино, то войдем в противоречие с рядом других наблюдений и измерений.
В первую очередь, стерильные нейтрино портят элегантное разрешение загадки солнечных нейтрино, за которое уже вручили Нобелевскую премию. Если BEST и MiniBooNE поймали в свои детекторы стерильные нейтрино, то доля электронных нейтрино в солнечных должна быть не в три, а в четыре раза меньше. Масла в огонь подливает тот факт, что BEST - это, фактически, наследник эксперимента SAGE, изучавшего солнечные нейтрино - та же самая обсерватория, то же самое оборудование.
Реакторы, которые использовались в эксперименте BEST по изучению галлиевой аномалии ИЯИ РАН
Другая проблема - это данные с других установок по поиску нейтрино. Так, IceCube и DANSS не нашли стерильных нейтрино там, где их увидели BEST и MiniBooNE, а Neutrino-4 нашел, но с массовой разницей, равной семи квадратным электронвольтам. А это немного выше единицы, полученной в LSND. Существует еще ряд экспериментов, не согласующихся со «стерильной» гипотезой с одной новой частицей. Это может значить также и то, что стерильных нейтрино на самом деле больше одного. Впрочем, для всех этих экспериментов характерна невысокая статистическая значимость по сравнению с BEST и MicroBooNE.
Область параметров стерильного нейтрино (разность квадратов масс и угол смешивания), «разрешенная» объединенным анализом нескольких экспериментов Vladislav Barinov and Dmitry Gorbunov / arXiv, 2021
Наконец, третья проблема - это космологические данные. Они крайне неохотно сочетаются с легкими стерильными нейтрино, которые получили в экспериментах на Земле. Более того, для космологии интерес представляла бы пара или тройка очень тяжелых стерильных нейтрино, которые могли бы быть кандидатами на темную материю или причиной асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
И как быть дальше
Значит ли это все, что про открытие новой частицы говорить пока рано? Академический ответ на этот вопрос - да.
Другой вопрос, что идея одного или нескольких стерильных нейтрино - это пока самая красивая и экономная гипотеза. Она и объясняет сразу несколько феноменов, и требует введения малого числа параметров. Это делает стерильные нейтрино крайне привлекательным кандидатом для объяснения новых достоверных данных.
По словам главного научного сотрудника ИЯИ РАН и одного из физиков, работавших над проектом BEST, Дмитрия Горбунова, не стоит списывать со счетов, что и внутри физики Солнца, и в космологии до сих пор остались свои нерешенные противоречия. В первом случае речь идет о нестыковках между солнечной моделью и данными гелиосейсмологии, а во втором - о различии между значениями постоянной Хаббла на основе наблюдательных данных из ранней и поздней Вселенной, а также противоречии данных о крупномасштабной структуре Вселенной, полученных разными методами. Все эти проблемы потенциально могут быть связаны с проблемой стерильных нейтрино.
Наконец, нет единообразия и в экспериментах с наземными установками: разные группы исследуют превращения разных типов нейтрино (электронных и мюонных) с различными спектральными свойствами, что тоже может иметь значение. Вполне может оказаться, что, например, эксперименты с мюонными нейтрино с энергиями в несколько сотен мегаэлектронвольт (MiniBooNe) нельзя напрямую сравнивать с экспериментами с электронными нейтрино с энергиями в несколько сотен килоэлектронвольт (BEST) - слишком разные физические условия.
Проблема признания стерильных нейтрино здесь и сейчас заключается в том, что мы можем измерить достоверность какого-либо эффекта, но не можем измерить «хорошесть» той или иной его интерпретации. Единственное, на что в этом случае можно ориентироваться, - это консенсус специалистов в области физики элементарных частиц. Но его пока, кажется, придется подождать.
Марат Хамадеев
https://zen.yandex.ru/media/nplus1/standartnaia-model--vse-624acc13cdf6b456abcaf279?&