В этом году они получили Нобелевскую премию по физике, но их наследие только начинается.
«Я знаю все о нейтрино, а мой друг знает обо всем остальном в астрофизике». - Джон Бэколл, ученый-нейтрино
Если вы хотите описать Вселенную, в которой мы живем сегодня, с физической точки зрения, вам нужно понять только три вещи:
- Какие типы частиц могут присутствовать в нем,
- Какие законы управляют взаимодействием между всеми этими различными частицами, и
- С каких начальных условий начинается Вселенная.
Если вы дадите ученым все эти вещи и произвольное количество вычислительной мощности, они смогут воспроизвести всю Вселенную, с которой мы сталкиваемся сегодня, ограниченную только квантовой неопределенностью, присущей нашему опыту.
В 1960-х годах появилось то, что мы обычно знаем как Стандартную модель элементарных частиц и их взаимодействий, описывающую шесть кварков, три заряженных лептона, три безмассовых нейтрино, а также один фотон для электромагнитного взаимодействия., три W- и Z-бозона для слабого взаимодействия, восемь глюонов для сильного ядерного взаимодействия и бозон Хиггса рядом с ними, чтобы придать массу фундаментальным частицам во Вселенной. Наряду с гравитацией, которая регулируется общей теорией относительности Эйнштейна, это объясняет полный набор поведения каждой отдельной частицы, когда-либо непосредственно обнаруженной.
Есть некоторые тайны Вселенной, которые мы пока не понимаем, например:
- почему материи больше, чем антиматерии,
- почему в слабых взаимодействиях есть СР-нарушение, а в сильных нет,
- какова природа темной материи во Вселенной,
- почему фундаментальные константы и массы частиц имеют именно такие значения,
- или откуда берется темная энергия.
Но для частиц, которые у нас есть, Стандартная модель делает все. Точнее, все это делала Стандартная модель, пока мы не начали внимательно изучать почти невидимые сигналы, исходящие от Солнца: нейтрино.
Солнце питается от ядерного синтеза, где ядра водорода сливаются вместе при огромных температурах и энергиях в ядре Солнца в гелий. При этом они излучают большое количество энергии в виде фотонов, а также энергичных нейтрино. На каждые четыре протона, которые вы сливаете в ядро гелия - чистый результат синтеза на Солнце - вы производите два нейтрино. Точнее говоря, вы производите два антиэлектронных нейтрино, очень специфический вид нейтрино.
Тем не менее, когда мы вычисляем, сколько нейтрино должно быть произведено, и мы вычисляем, сколько мы должны иметь возможность наблюдать на Земле с учетом наших современных технологий, мы видим только около трети ожидаемого числа: около 34%.
На протяжении 1960-х, 70-х, 80-х и 90-х годов большинство ученых подвергали резкой критике либо экспериментальные процедуры, используемые для обнаружения этих нейтрино, либо порицали модель Солнца, утверждая, что что-то должно быть не так. Тем не менее, по мере того как и теория, и эксперимент совершенствовались, эти результаты подтверждались. Как будто нейтрино каким-то образом исчезали. Однако была предложена радикальная теория: существовала некая новая физика за пределами Стандартной модели, которая придавала всем крошечную, но не нулевую массу. нейтрино, что позволило бы им смешиваться. Когда они проходят через материю и взаимодействуют с ней - очень легко , это смешивание позволяет одному аромату нейтрино (электронному, мюонному или тау) колебаться в другой.
Только когда мы получили возможность обнаруживать эти другие разновидности нейтрино как в Супер-Камиоканде, так и в Нейтринной обсерватории Садбери, мы узнали, что эти нейтрино в конце концов не пропали, а были переходя из одного аромата (электронного) в другой (мюонный или тау-тип)! Теперь мы знаем, что все генерируемые нейтрино являются электронными (анти)нейтрино, но к тому времени, когда они достигают нас на Земле, они делятся на ⅓, ⅓, ⅓ между тремя ароматами. Более того, мы измерили их массы в ходе этих экспериментов и определили, что они находятся где-то между 1 и несколькими сотнями миллиэлектрон-вольт, или менее одной миллионной массы следующей по легкости частицы: электрона.
Нобелевская премия по физике 2015 года, присужденная ранее на этой неделе, была присуждена за это открытие. Да, нейтрино колеблются от одного аромата к другому, и да, у них есть масса. Но настоящая причина, по которой это имеет значение, заключается в следующем: впервые у нас есть доказательства того, что частицы в Стандартной модели - известные, открытые частицы во Вселенной - обладают свойствами, которые Стандартная модель вообще не описывает!
Есть еще много физики, которую нужно открыть, и это первый ключ к тому, что это может быть. Таким образом, в то время как высокие энергии и БАК не видели никаких признаков этого, частицы с наименьшей массой показывают нам, что существует больше, чем мы знаем в настоящее время. И это тайна, которая, как ожидается, будет только углубляться, чем внимательнее мы смотрим.
Понравилось? Рассмотрите возможность поддержки Starts With A Bang на Patreon и ищите первую книгу Итана Beyond the Galaxy этой зимой!