Модная частица

Исследования нейтрино — одна из глав эпоса о триумфальном прогрессе рациональной науки. Начинается всё в 20-ых годах прошлого века. Тогда люди еще знали только три элементарных частицы — протон, электрон и фотон, но между ними таилось обещание чего-то большего. Например, в реакциях радиоактивного бета-распада никак не хотел сходиться энергетический баланс — конечная энергия получающихся частиц всегда была меньше начальной и всё выглядело так, будто недосдача уходила в офшор неизвестной и неуловимой частицы. Физики нарекли ее «нейтрино» и отправились на поиски. Десятки лет экспериментов, и вот — неуловимая частица поймана. Она необычайно похожа на ориентировку теоретиков — крошечная частица без массы покоя, которая вступает только в слабое и гравитационное взаимодействие, а потому может пролететь миллионы километров сквозь толщу материи и не столкнуться ни с одним атомом. Дальше идут сплошные успехи. Стандартная модель — большая система, в которой все элементарные частицы раскладывают по полочкам и семействам — предсказывала, что должно существовать три типа нейтрино: электронное, мюонное и таонное — всех их находят в экспериментах. Астрофизические расчеты показывали, что в результате ядерных реакций на Солнце большой кусок энергии должен улетать в космос в виде электронных нейтрино — и это тоже подтверждается наблюдениями. Теоретики предсказывают, что нейтрино могут при движении в пространстве превращаться друг в друга, или, как говорят, осциллировать — и это снова убедительно подтверждается данными экспериментов. Но здесь наступает настоящее: дружные пары предсказаний и экспериментов (оставим в скобках, например, мучительные десятилетия экспериментов по поиску солнечных нейтрино с вечным расхождением баланса и всеми отягчающими для упорствующих ученых: насмешками коллег, урезанием бюджета и непременными мыслями о своей непроглядной бездарности) распадаются на парадоксы. В стандартной модели нейтрино заложены безмассовыми, но они не могли бы превращаться друг в друга если бы как раз не отличались по массе, а, значит, неизбежно имеют массу — это первый парадокс. Второй парадокс более прозаический: в некоторых экспериментах опять не сходится баланс по нейтрино. Часть физиков считает, что это верный знак существования четвертого типа нейтрино — стерильных. Они должны быть тяжелее своих собратьев и еще более неуловимы, поскольку вступают уже только в гравитационные взаимодействия, а получаться стерильные нейтрино могут только в результате превращений из других нейтрино. В этой точке мы сейчас находимся. Всем желающим снова есть, что искать. «Акценты поменялись» Эксперимент MiniBooNE в национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми в США (она же Фермилаб) собирает данные уже почти 15 лет. 1 июня этого года физики опубликовали суммарную статистику своих наблюдений с интересной аномалией. Они облучали потоком мюонных нейтрино большой стальной бак с маслом и детекировали, сколько в результате из мюонных нейтрино появляется электронных. Классическая теория с тремя типами нейтрино предсказывает на таких временных масштабах 1977 подобных событий, но в танкере появилось на 461 электронных нейтрино больше, чем ожидалось. Это примерно одно «лишнее» нейтрино каждые двенадцать дней: достаточно ли для того, чтобы прорубить окно в Новую физику? В принципе такое расхождение можно с вероятностью 20% объяснить случайными отклонениями от предсказания, но у исследователей из Фермилаб есть два дополнительных аргумента против скучной случайности: во-первых, в их прошлых данных за более короткое время наблюдалась точно такая же аномалия, а во-вторых — их новые результаты неплохо пересекаются с данными экспериментов 90-ых годов на установке LSND в Лос-Аламосе, после которых впервые заговорили о возможности существования стерильных нейтрино. Поэтому хотя в основных выводах новой статьи никаких слов о стерильных нейтрино и не появляется, в самом тексте работы физики кратко отмечают, что их аномалии можно объяснить именно стерильными нейтрино. Правда даже такая аккуратность формулировок (ожидаемо усиленная заголовками пресс-релизов и новостных заметок, где словосочетание «стерильное нейтрино» задвинуло все цифры на задний план) сильно смутила других физиков: раньше сотрудники MiniBooNE, уже видевшие точно такую аномалию в прошлых данных просто говорили, что не знают ей объяснения, а теперь они заявляют, что нашли свидетельства существования стерильных нейтрино. Двойной диссонанс заявления: новая интерпретация против старой, и скромная оболочка — против начинки из громкой сенсации. — Новым данным определенно можно доверять, но по интерпретации есть вопросы, — говорит член-корреспондент РАН, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН), Сергей Троицкий, — Наверное, здесь есть такое внешнее влияние: раньше стерильно нейтрино воспринималось как странная тема исследований, а сейчас всё поменялось и наоборот развернулась гонка, кто первый найдет его в экспериментах. Акценты поменялись. Лакомая частица Влечение физиков к стерильному нейтрино объяснить несложно: очень много фундаментальных вопросов может продвинуться и даже наконец разрешиться с открытием этой частицы. Считаем навскидку: Поэтому сейчас ставится немало разных экспериментов по поиску стерильных нейтрино. Наверное самый известный из них — это IceCube в Антарктиде — именно туда, кстати, в конце одного из сезонов отправились герои «Теории Большого Взрыва». На IceCube стерильное нейтрино хотят поймать с помощью сотен кубометров сверхчистого льда, начиненного детекторами. Но пока из этого ничего не получилось: ни у сериальных героев, ни у реальных физиков. Печально для глаз, жаждущих сенсаций и, на первый — ошибочный — взгляд, конфликтует с новым результатам из Фермилаб. Фокус в том, что никто пока точно не знает каким должно быть стерильное нейтрино и поэтому в каждом эксперименте ищут, можно сказать, свою частицу: со своей энергией (или массой, что тоже самое) и углом смешивания (проще говоря, интенсивностью осцилляций этих частицы в классические виды нейтрино). Поэтому отрицательные результаты IceCube или, например, нескольких экспериментов, где следы стерильного нейтрино хотели увидеть в потоках частиц из ядерных реакторов не противоречат результатам MiniBooNE — на IceCube ловили нейтрино с энергиями от килоэлектронвольт, а в Фермилаб сообщили об аномалии в районе энергий около одного элекронвольта, что в тысячу раз меньше. Не очень красиво Тем не менее, области параметров некоторых прошлых экспериментов всё-таки пересекаютя с данными MiniBooNE. С другой стороны, в данных других экспериментов аномалий никто не находил. Это вторая серьезная претензия к новому исследованию, наравне с поверхностностью интерпретации в пользу модной гипотезы — в тексте статьи не просто никак не объясняются, но и даже не упоминаются противоречия с результатами других групп. Поэтому авторов, пока что показавших только препринт своей статьи, уже со страниц Science призывают еще раз внимательно проверить свои данные, памятуя о классических ловушках для всех экспериментаторов: возможно, часть избыточных электронных нейтрино, появление которых объясняют стерильными нейтрино, могут быть всего лишь артефактами, связанными с фоновым шумом эксперимента. Наконец, есть еще третий сорт претензий к новой работе, самый сложный по своей природе. — Такого рода стерильное нейтрино, которое получается в этих данных — легкое и с большим углом смешивания, то есть активно осциллирующее — оно, например со стандартной космологией не очень хочет жить, — рассказывает Дмитрий Горбунов, членкор РАН и старший научный сотрудник ИЯИ РАН, — Космологические данные не приветствуют дополнительного нейтрино, которое могло бы активно взаимодействовать в ранней Вселенной. Так что в этом диапазоне параметров мне было бы странно увидеть стерильно нейтрино. С теоретической точки зрения это было бы не очень красиво. И непонятно, в рамках какой модификации Стандартной Модели его можно ввести. Кроме того, у нового стерильного нейтрино плохо с главными козырями. Оно слишком легкое — и для того чтобы составить темную материю, и для того, чтобы отвечать за асимметрию материи и антиматерии. Бой, кажется, пока совсем неравный: в одном углу ринга — 461 аномальное событие за 15 лет измерений, а в другом — эстетические претензии, расхождения с результатами конкурирующих групп и слабая интерпретация. С открытием стерильного нейтрино можно пока можно повременить. Оглавления учебников могут спать спокойно. — Вообще, сейчас есть и другие указания на стерильные нейтрино, есть некоторые модели с его участием, но так, чтобы без него совсем нельзя было обойтись, не сказать — есть другие модели, которые могут решать самые разнородные экспериментальные проблемы, — говорит Троицкий, — Я бы что-нибудь существенное сейчас бы не стал ставить ни за стерильное нейтрино, ни против него.