Има ли нещо скрито, което определя малката маса на неутриното?

Стремежът да се разбере малката маса на неутриното е и стремеж за откриване на нови частици

Ваня Милева Последна промяна на 13 март 2023 в 00:01 7004 0

Неутрино-електронно взаимодействие в мехурчеста камера

Кредит 1973-2018 CERN / GARGAMELLE: FIRST NEUTRAL CURRENT / CC BY 4.0 CC BY (AUSSCHNITT)
Неутрино-електронно взаимодействие в мехурчеста камера, което не оставя следа, влиза отгоре и се сблъсква с електрон. Получава достатъчно енергия, за да остави малките криви следи. Колаборацията Gargamelle обяви откриването на слаб неутрален ток, който не пренася електрически заряд, през юли 1973 г.

Неутриното е страничен продукт на астрономически събития, които ни дават живот.

Те се освобождават от реакцията на ядрен синтез в Слънцето и се излъчват от свръхнови. Те нямат заряд и имат странно малка маса. Те са втората най-разпространена частица във Вселената (след фотоните) и трилиони от тях преминават през тялото ви всеки момент.

И все пак толкова много неща все още не са известни за неутриното.

Сред многото неизяснени въпроси, свързани с неутриното, е как точно то получава своята маса. Стандартният модел на физиката на елементарните частици не дава отговор. Много от теориите, които обясняват малките маси на неутриното, предвиждат и съществуването на неоткрити частици, така че един от начините да се проверят тези теории е да се търсят тези частици.

Придобиване на маса чрез полето на Хигс

Повечето фундаментални частици - кварки и лептони - придобиват маса чрез взаимодействие с полето на Хигс. Някои частици, като масивния топ кварк, взаимодействат повече с полето на Хигс, докато други частици, като лекия електрон, взаимодействат по-малко.

Как частиците придобиват маса в полето на Хигс Eдна опростена аналогия:
Представете си, че цялата Вселена е пълна до горе с пластична глина, през която си проправят път безмасовите частици – по по-бързите изпитват по-малко съпротивление, по-бавните – стават по-масивни, а тези, които се движат със скоростта на светлината минават, без да бъдат повлияни.

Ако неутриното придобива масата си от полето на Хигс, то изглежда взаимодейства с него в още по-малка степен от електрона - много по-малка, а масата на неутриното е около милион пъти по-лека.

Това само по себе си се струва странно на учените. Но има и друга причина, поради която те се питат дали неутриното придобива масата си само от Хигс.

Спиралност и хиралност

Спиралността (helicity) е характеристика на състоянието на елементарна частица. Представлява проекцията на спина на частицата върху посоката на движение. Използва се за описание на елементарни частици, движещи се със скоростта на светлината или близка до нея.

Спиралността на една частица е положителна ("дясна"), ако посоката на спина на частицата съвпада с посоката на нейното движение, и отрицателна ("лява"), ако посоката на спина и движение на частицата са противоположни. Така стандартен часовник с вектор на спина, определен от въртенето на стрелките му, е ляв, ако се движи така, че циферблатът да е обърнат напред.

Математически, спиралността е знакът на проекцията на вектора на спина върху вектора на импулса: "ляво" е отрицателно, а "дясно" е положително.

Хиралността на една частица е по-абстрактно понятие: тя се определя от това дали вълновата функция на частицата се трансформира чрез дясно или ляво представяне на групата на Поанкаре.

За безмасовите частици, като фотони, глуони и (хипотетичните) гравитони, хиралността е същата като спиралността; тези безмасови частици изглежда се "въртят" в една и съща посока около оста си на движение, независимо от гледната точка на наблюдателя, защото той не може да се движи по-бързо от светлината, както го правят безмасовите частици.

За масивните частици, като електрони, кварки и неутрино, хиралността и спиралността трябва да се разграничават: в случая на тези частици наблюдателят може да се премести в отправна точка, която се движи по-бързо от въртящата се частица. В такъв случай частицата ще се движи назад и нейната спиралност (която може да се разглежда като "привидна хиралност") ще бъде обърната, точно както въртенето на барабана на бетоновоз ще ни се вижда наобратно, когато го задминем с кола.

Когато една частица взаимодейства с полето на Хигс, то променя "спиралността" на тази частица - мярка за нейния спин и движение. Когато един "десен" електрон взаимодейства с полето на Хигс, той се превръща в "ляв" електрон. Когато лявоориентиран електрон взаимодейства с полето на Хигс, се случва обратното.

Това само по себе си е странно за физиците. Но има и друга причина, поради която те се питат дали неутриното придобива масата си само от Хигс.

Но досега според измерванията всички неутрино са лявоориентирани.

Изглежда, че се случва нещо друго и физиците имат десетки теории за това.

"Това е огромно богатство", заявява Тао Хан (Tao Han), теоретичен физик от университета в Питсбърг. "Имаме много теории, но все още не знаем коя от тях отразява природата."

Търси се нова частица на "люлката"

Може би най-простото на пръв поглед обяснение е, че дясноориентираните неутрино съществуват - учените просто още не са ги видели.

Проблемът в това наглед просто обяснение е, че тези дясноориентирани неутрино би трябвало да изглеждат много по-различно от познатите ни неутрино. Докато неутриното е почти безмасово, дясноориентираното неутрино вероятно би трябвало да е много по-масивно дори от най-тежката фундаментална частица.

Обяснението за това се нарича "механизъм на люлката", тъй като предвижда, че тежките дясноориентирани неутрино са причината лявоориентираните неутрино да са толкова леки и дясноориентираните неутрино са на едната страна на  една метафорична люлка. (вж "Неутриното е толкова леко, защото някой прекалено тежък е седнал от другата страна на люлката")

Всичко се свежда до математиката на това, което физиците наричат собствена стойност - свойство на поведението на системата. Механизмът на люлката предполага, че неутриното има две собствени стойности и ако едната е малка, другата трябва да е голяма, за да се компенсира.

Физиците предлагат много версии и варианти на този механизъм. В единия от тях дясното неутрино би било толкова тежко, че би се получило само в ранната Вселена, когато всичко е било залято с достатъчно енергия, за да се обединят електромагнитните, слабите и силните сили в едно.

Теорията на Великото обединение предполага, че при изключително високи енергии (над 1014 GeV) фундаменталните взаимодействия се обединяват, а такива условия е имало в най-ранната Вселена и тя предсказва съществуването на десни неутрино.

Физиците теоретици намират този вид разсъждения за много елегантни.

Втората версия на механизма "люлка" предсказва и нов вид Хигс бозон, който би позволил на лявото неутрино да се свърже със себе си и косвено да взаимодейства с новата частица на Хигс, за да придобие маса. Тази нова частица на Хигс би била много по-тежка и би действала като тежкия край на люлката. Тази теория се харесва на Хан, тъй като секторът на Хигс "все още е толкова непознат".

"Защо да имаме само една частица, която да е отговорна за генерирането на маса?", се пита той. "Имаме петнадесет порядъка между най-леката и най-тежката частица. Мисля, че в сектора на Хигс има повече, отколкото сме видели досега".

Трета версия на механизма на люлката предвижда нов набор от други масивни частици на материята, които биха компенсирали ниските маси на неутриното.

Физиците са разработили модели, които комбинират тези три, както и други варианти с имена като "обратна" и "двойна" люлка.

Не всички са съгласни с тези идеи.

Един от проблемите е, че предсказаните частици са толкова масивни, че физиците все още не знаят как да построят достатъчно мощен ускорител на частици, за да ги изследват.

"Механизмът на люлката е подходящо наречен на детска играчка", коментира Патрик Хубер (Patrick Huber), физик теоретик в Техническия университет във Вирджиния. "Това е класически пример за теория, която е много трудна за проверка и доказване."

Друг проблем е, че всички модели на люлка предсказват, че неутриното функционира като своя античастица. Ако неутриното са едновременно и собствените си античастици, тоест ако вариантът на антиматерията при тях е идентичен с вариант на материята, наречент майорана. (вж "Мамо, от къде идва масата на майорана неутриното?")

Досега учените не са видели доказателства, че това е вярно. А ако е така, това би нарушило друг установен закон на физиката, наречен запазване на лептонното число.

Необходимо е да се проверява навсякъде - и да се задават правилните въпроси

Виртуални частици

Обикновено вакуумът на пространството се смята за празен, но заради неопределеността на квантовата механика вакуумът е изпълнен с виртуални частици, които се появяват и изчезват като двойки материя-антиматерия. (Антиматериалните частици имат същата маса, както и тяхния аналог от обикновена материя, но имат обратен електрически заряд. Например антиматериалният аналог е позитронът - частица с положителен заряд). Обикновено, след като се появи двойка виртуални частици, те моментално се анихилират (взаимно се унищожават).

Не всяка теория, която обяснява малката маса на неутриното, е свързана с люлка. Друга теория, наречена "излъчващо маса генериране", предполага, че неутриното може да придобие масата си чрез квантовите ефекти на виртуалните частици. Но радиационното генериране на маса също изисква съществуването на нови частици, за да работи.

Досега няма експериментални данни, които да са пряко свързани с някой от тези модели.

"Физиката на масата на неутриното прилича на физиката на тъмната материя, в смисъл че наистина нямаме почти никаква представа какво представлява тъмната материя", отбелязва Педро Мачадо (Pedro Machado), физик теоретик от Националната ускорителна лаборатория "Ферми" към Министерството на енергетиката на САЩ. "Когато става въпрос за моделите на неутрино масата, популярността не е аргумент. Всички жизнеспособни модели са еднакво добри от гледна точка на данните."

Това означава, че физиците се нуждаят от повече данни.

"Теорията за неутриното има ужасни резултати в предсказването на каквото и да било", коментира Хубер. "Но сме на път да навлезем в ерата на прецизните измервания на неутриното, което може да бъде сонда за търсене на нова физика. Имаме тези теории и ако едно измерване потвърди дадена теория, това е вълнуващо за създателя ѝ. Но ако експеримент открие нещо, което никой не е предвидил, това ще е вълнуващо за всички."

Физически експерименти по целия свят се опитват да разберат неутриното и неговите маси - и може би да открият признак за нова частица, която би могла да помогне да се обясни всичко загадките на неутриното.

Ако обяснението се окаже отвъд сегашното ни разбиране за физиката, казва Мачадо, "ще е точно това, което сме чакали".

Източник: Do hidden influences give neutrinos their tiny mass?, Symmetry Magazine 

Виж още за:
Най-важното
Всички новини

Още от Физика

Коментари

За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !