Частинка, якої не існувало Епізод III Повернення фізики; Тут живуть дракони
На початку 1990-х років були експериментальні дані про нову частинку - нейтрино 17 кэВ. У цій третій частині історії я хочу розглянути реакцію фізиків-теоретиків на цю можливість, історію, до якої я маю дуже особисті стосунки.
Коли я починав писати цю історію минулих вихідних, я щойно проглянув теоретичну роботу, але ще не бачив її. Якби я знав, у що втягуюсь, я міг би краще закінчити цю історію після Епізоду II - моє останнє серйозне заняття теоретичною фізикою елементарних частинок було деякий час тому, і такі речі, як майорони, механізми бачення, механізми ТПВ, Лептокварки, Зельдович-Конопінський-Махмуд-Лептон-заряди змусили мою голову грунтовно гудіти.
Але не хвилюйтеся - я не буду заглиблюватися в подробиці, просто спробуйте показати, як теоретики мали справу з новою частинкою. Якщо для вас це стане занадто технічним, просто перейдіть прямо до останнього розділу, там я скажу вам, чому мене цікавить нейтрино 17 кев і спробую зробити загальні висновки, як це було зроблено наприкінці Епізоду II.
Яким може бути нейтрино 17 кев?
Що це не могло бути, було відносно ясно: четвертий нейтринний аромат на додаток до нейтрино електронів, мюонів і тауона. (Іноді я пишу "Тау-Нейтрино", іноді "Тауон-Нейтрино". І те, і те саме.) Експерименти в ЦЕРНі безумовно виключили це, оскільки це нейтрино слід було побачити, коли бозон Z розпався. З розпаду бозону Z можна зробити висновок, що нейтринних ароматів може бути лише три. (Четвертий був би мислимим лише у тому випадку, якщо нейтрино мав масу, яка мала б той же порядок величини, що і Z-бозон, і була б набагато важчою, ніж Z-бозон, але це не відповідало б значенню 17 кеВ, оскільки Z-бозон приблизно в 5 мільйонів разів важчий за це.)
Чи може нейтрино 17 кеВ просто бути нейтрино тау? Для цього електронне нейтрино має стати тау-нейтрино.
Змішані стани частинок
Нейтрино 17 кеВ (яке для простоти тепер прикидається, що існує, інакше текст тут буде абсолютно нечитабельним через велику кількість сполучників) повинен виникнути під час β-розпаду. При β-розпаді нейтрон, як правило, розпадається на протон, електрон і електронне нейтрино, але приблизно в 1% випадків (за даними 1992 р.) Замість електронного нейтрино слід створювати нейтрино 17 кеВ.
Однією з можливостей, як це могло б спрацювати, було б спочатку створити електронне нейтрино, яке потім перетвориться в нейтрино 17 кеВ. Подібні перетворення частинок не є нічим новим у фізиці - у 50-60-ті роки нейтральний мезон К (каон) давав фізикам головний біль, оскільки він, очевидно, міг спонтанно перетворитися на власну античастинку. Це перетворення є квантово-механічним явищем.
У випадку нейтрино можна уявити це так: електронне нейтрино - це частка, яка належить до випромінювання електрона. Оскільки різницю між електроном, мюоном і тауоном також називають «ароматом», електронне нейтрино належить до електронного смаку - фізики кажуть, що це власний квантово-механічний стан. Якщо воно спонтанно перетворюється на інше нейтрино (нейтрино 17 кеВ), тоді воно змінює свої властивості в процесі, тому воно не є стабільним. З відношення невизначеності з цього можна зробити висновок, що маса електронного нейтрино не є фіксованою. Власні стани маси одночасно не є власними станами смаку.
Це старий добрий принцип невизначеності з квантової механіки в дещо іншому вигляді: якщо я вимірюю «аромат» нейтрино (і роблю це опосередковано з β-розпадом, оскільки спостерігаю електрон), то його маса не фіксується. Якщо я вимірюю його масу (або енергію), то знову ж таки смак чітко не визначений. Електронне нейтрино на цій картині буде сумішшю легкого нейтрино (яке не є власним ароматом) та нейтрино 17 кэВ. Тому нейтрино, що вільно плаває навколо власного енергетичного стану, змінює свій смак.
(До речі, цей механізм насправді існує - як ми знаємо сьогодні, електронні нейтрино можуть трансформуватися в мюонні або тауонні нейтрино.)
Отже, ви можете собі уявити, що електронне нейтрино перетвориться на нейтрино тау в 1% випадків, перебуваючи ще в детекторі. Це було б простим та елегантним рішенням проблеми. На жаль, це непросто. Щоб це зрозуміти, давайте подивимось на рівень знань того часу.
Дослідження нейтрино на початку 1990-х
На додаток до нейтрино 17 кеВ, на початку 1990-х років дослідження нейтрино мали ще одну відкриту проблему: вимірювання сонячних нейтрино показали, що кількість нейтрино була занадто низькою. Оскільки детектори на землі могли вимірювати лише електронні нейтрино, одним із способів пояснити це було те, що електронні нейтрино трансформувались на шляху від Сонця до нас, в механізмі змішування, як я щойно пояснив.
Також ще не було відомо, чи мають нейтрино масу. Ці дві проблеми пов’язані - безмасові нейтрино не можуть перетворюватися один на одного. Це можна пояснити чітко: безмасові нейтрино літають зі швидкістю світла. Згідно з теорією відносності, у них немає часу, щоб пройти під час польоту, тому вони не можуть трансформуватися. (Цей аргумент, звичайно, не повністю теоретично чистий, але тут він не має значення).
Цікавим було також спостереження за надновою 1987А. При цьому на Землі було виявлено 24 нейтрино - це не схоже на багато, але якщо підрахувати, як далеко земля була від наднової і наскільки мала ймовірність того, що нейтрино насправді буде виміряно в детекторі, ви виявите, що наднова фактично втрачає більшу частину своєї енергії у вигляді нейтрино.
Проблеми з нейтрино 17 кеВ
Чи може нейтрино 17 кеВ просто бути нейтрино тау? Точніше, нейтрино 17 кэВ може бути масовим станом, який по суті відповідає тау-аромату, з невеликою домішкою електронного смаку, оскільки тау та електронні нейтрино повинні перетворюватися один на одного?
За даними вибуху наднової можна було зробити висновок про те, як швидко наднова випромінювала енергію. Якщо електронне нейтрино перетвориться на нейтрино тау, з імовірністю 1% при β-розпаді, то у надновій виникне досить багато тау нейтрино. Порівняння з даними показало, що з цього можна вивести верхню межу маси тау-нейтрино - вона становила 30 кеВ, тож вона просто сумісна з даними.
При розгляді Великого вибуху виникла ще одна проблема: якби там нейтрино 17 кеВ утворювалося з великою частотою, то їх маса призвела б до Всесвітного колапсу рано. Крім того, вони мали б впливати на космічне фонове випромінювання - його спектр тоді повинен виглядати зовсім не так, як виміряний. Проблему можна вирішити лише в тому випадку, якщо нейтрино 17 кеВ може розпастися на інші частинки.
У стандартній моделі для цього є можливості, але тривалість життя нейтрино тау у стандартній моделі на порядок довша за вік Всесвіту, тому розпад буде занадто повільним, щоб запобігти краху Всесвіту відразу після Великого вибуху.
Тому стандартну модель потрібно розширити, нейтрино 17 кэВ однозначно містить нову фізику. Якщо це нейтрино тау, то потрібні нові можливості розпаду. Якщо це не тау-нейтрино, то що це?
Спекуляція
Фут і Кінг створили модель, в якій нейтрино 17 кеВ насправді є (по суті) тау-нейтрино. Щоб воно відповідало спостереженням, потрібно було ввести ще кілька частинок, які були дуже важкими (понад 200 ГэВ) і тому не спостерігались експериментально. Модель також мала справу з іншою проблемою: вона довела, що електричний заряд повинен бути квантований.
Нобелівський лауреат Глашоу мав подібну модель, в якій було шість нейтрино-станів, які змішувались складним чином. Нейтрино 17 кев може розпастися на так звані майорони, які є незарядженими і майже не спостерігаються теоретичними частинками. Подібні моделі були створені в більшій кількості в наступний період; всі вони дещо відрізняються за тим, як точно змішуються різні стани нейтрино.
Деякі з цих моделей одночасно вирішували проблему сонячних нейтрино - нейтрино змішувались таким чином, що вони коливались на шляху від Сонця до землі і тому тут не всі видно.
Джошіпура побудував гарну модель, в якій нейтрино 17 кэВ, мабуть, не вирішило проблему сонячних нейтрино (на жаль, я маю доступ лише до реферату, тому я не зовсім впевнений, що це робить), але принаймні для відповідальна знаменита темна матерія.
Папагеоргіу і Ранфоне досліджували різні можливості. В одному з них нейтрино 17 кэВ розпадається на іншу гіпотетичну частинку - аксіон. В іншій публікації було розглянуто, чи неможливо вмістити нейтрино 17 кэВ у так званих теоріях GUT (Великі уніфіковані теорії), які поєднують в собі електрослабкість та сильну силу і вже відомо, що вони постулюють мішок нових частинок . Відповідь була: це працює, але вам довелося включити багато додаткових припущень, щоб все відповідало вимірюванням.
Зовсім інша ідея стосується інших гіпотетичних частинок, так званих «лептокварків». Лептокварки можуть перетворювати лептони (включаючи нейтрино) у квари і навпаки. Вони з'являються в деяких моделях GUT, і, очевидно, їх також можна використовувати для отримання нейтрино 17 кэВ під одним дахом із вимірами.
У кількох моделях нейтрино 17 кев є сумішшю електронного нейтрино та нової частинки, "стерильного" нейтрино. Його називають стерильним, оскільки він взагалі не взаємодіє з речовиною. (За винятком його маси.) У статті Чаудхурі представляє кілька нових лептонних станів, які в кінцевому підсумку призводять до нейтрино 17 кеВ, яке розпадається досить швидко, щоб уникнути проблем з експериментами.
Може, загальна теорія відносності теж якось відіграє проблему? У будь-якому випадку, я також знайшов дві статті, в яких були задіяні ефекти Планка (тобто ефекти на шкалі довжини, де важливі квантові ефекти гравітації). Гравітаційний вплив на шкалу Планка повинен бути відповідальним за маси нейтрино. Це призводить до дуже малих мас нейтрино (значно менше 1 еВ). Для того, щоб нейтрино 17 кэВ також містило вміст, потрібно ввести додаткову частинку знову; нейтрино 17 кеВ тоді є змішаним станом електронного нейтрино і нової частинки, яка навіть не взаємодіє з речовиною.
Загалом, ви можете бачити, що було досить багато спроб вмістити нейтрино 17 кеВ. Такі проблеми, як можливий колапс Всесвіту або нейтрино наднової, були вирішені шляхом адаптації нової фізики, яка була розроблена відповідно. Справедливості заради слід сказати, що були й негативні публікації, які свідчать про те, що певні моделі точно не працюватимуть.
У своєму огляді Вітфельдт і Норман дійшли наступного висновку.
Повага теоретичній винахідливості полягає в тому, що, незважаючи на суворі обмеження, було розроблено ряд життєздатних, хоча і дещо надуманих моделей нейтрино 17 кеВ.
До теоретичної проникливості слід віднести те, що, незважаючи на складні граничні умови, для нейтрино 17-кеВ було розроблено ряд корисних, хоча і дещо штучних моделей.
Нейтрино 17 кев і я
17-кеВ нейтрино пережило свій “розквіт”, коли я писав дипломну роботу, а потім докторську дисертацію з теоретичної фізики в DESY в Гамбурзі.
На той час статті (до того, як вони були опубліковані в журналах) заздалегідь не роздавались фізичному співтовариству у вигляді так званих препринтів через Інтернет-сервери, а надсилались по всьому світу у паперовій формі. Щопонеділка після обіду ви ходили до бібліотеки та перевіряли нові препринти, чи не було чогось цікавого.
Тож я вперше почув про нейтрино 17 кеВ. Після того, як я почав звертати на це увагу, я помітив, що принаймні кожні кілька тижнів з'являється новий теоретичний препринт для нейтрино 17 кев і як він вписується у фізику. Мені здавалося, що кожен теоретик міг включити нову частинку у свою власну улюблену теорію таким чином, щоб вона вийшла "цілком природно" - "природний" - це насправді слово, яке тут часто трапляється в роботах з теорії. Якщо я ще раз подивлюсь на мій короткий огляд вище, то це враження, мабуть, було не зовсім неправильним.
Коли частинка не існувала (я не пам’ятаю, коли саме це дізнався, але, думаю, це був лише 1995 рік - експериментальні препринти я читав не так часто, як теоретичні), це мене дуже роздумувало. Чи справді можна вставити у фізику абсолютно довільну частинку, і жодна з сучасних моделей розширеної фізики (GUT, суперсиметрія та все, що є) цією частинкою не спростовується? І якщо це так, теоретична фізика все ще є справжньою наукою?
Ці питання, які так само популярні в наш час щодо теорії струн, хвилювали мене в той час - чи моделі теоретичної фізики взагалі піддаються фальсифікації? Було багато причин, чому в 1996 р. Я вирішив зайнятися чимось іншим замість теоретичної фізики, але однією з них було нейтрино 17 кэВ.
Прочитавши та подумавши про багато публікацій за останні кілька днів, я не впевнений, що тоді я не був надто песимістичним. Чесно кажучи, Стандартна модель вже повна довільних чисел і припущень. (Тим не менше, стосовно всього, що це пояснює, це все ще неймовірно хороша теорія). Включення нейтрино 17 кеВ так чи інакше додає ще кілька цих припущень. У цьому відношенні моя критика стандартної моделі та її можливих розширень, можливо, була перебільшеною.
Також було важче включити нейтрино 17 кэВ в теорію таким чином, що дані вибуху наднової 1987A та моделі Великого вибуху також залишалися вірними. Для цього властивості нейтрино 17 кеВ щодо терміну служби тощо мали бути суворо обмежені. Безумовно, слід віддати належне теоретикам за активну спробу знайти такі обмеження та врахувати їх у своїх моделях. Схоже, їм вдалося знайти деякі моделі, які узгоджувались із усіма спостереженнями. Мені здається сумнівним, чи могли б усі ці моделі насправді вижити, якби їх вивчали далі. Можливо, подальші дослідження показали б багатьом з них, що вони справді містять невирішені проблеми.
Зрештою, це, мабуть, схоже на висновок експериментальної роботи: Окремі теоретики, можливо, були занадто оптимістичними щодо сумісності нової частинки зі своєю особистою улюбленою теорією. Як і у фізиків-експериментаторів, звичайно, можна заробити багато слави, якщо ти можеш першим інтегрувати частинку в модель. Деякі публікації могли б не витримати подальшої перевірки. Якби нейтрино 17 кэВ не було спростовано в 1993 р., Ці публікації були б проаналізовані далі, були б виявлені невідповідності і в кінцевому рахунку вижила б лише частина моделей.
Тут теж стає зрозумілим, що наука зрештою працює лише у взаємодії між людьми. Деякі вчені можуть бути надто ентузіастами та іноді ігнорувати проблеми або невідповідності, але інші будуть вивчати теорії, щоб вдосконалити або розвинути їх, і в процесі розкрити ці проблеми. Як ми бачили, цей механізм працював дуже добре в експериментах на нейтрино 17 кэВ, і в теоріях він, мабуть, спрацював би, якби частинка вижила.
Ось декілька публікацій - якщо хтось хоче мати цілий список або бути заваленим pdfs, просто надішліть електронне повідомлення ...
Олена Папагорджоргу та Стефано Ранфоне
Головоломка масової ієрархії та нейтрино 17 кэВ у контексті універсальної моделі гойдалок
Олена Папагеоргіу, Стефано Ранфоне,
Маси нейтрино в перевернутій моделі SU (5) x U (1) та SU (4) x O (4) GUT
Субхаш Раджпот
Модель нейтрино 17 кэВ Сімпсона
Р. Фут, С. Ф. Кінг
Квантування електричного заряду нейтрино 17 кеВ,
Л. Бенто, Ж. В. Ф. Валле
Найпростіша модель нейтрино 17 кеВ та ефекту ТПВ
Міріам Леурер
На незмішаному нейтрино 17 кэВ
Євгеній Х. Ахмедов, Зураб Г. Бережіані, Горан Сенянович, Жиджіан Тао
Ефекти шкали Планка у фізиці нейтрино
Дебаджйоті Чоудхурі
Дискретна симетрія, магнітний момент нейтрино та нейтрино 17 кев
Дебаджйоті Чоудхурі, Утпал Саркар,
Новий механізм генерації нейтрино 17 кеВ
Сідней А.Бладман,. К. Кеннеді та П. Г. Лангакер
Прогнози моделі esaейва для маси τ-нейтрино