Неутрино са може би най-озадачаващите от известните частици. Те просто преливат всички известни правила за това как трябва да се държат частиците. Те се подиграват на нашите фантастични детектори. Подобно на космическите котки, те пътуват из цялата Вселена без притеснения или грижи, взаимодействайки от време на време с останалите от нас, но наистина само когато се чувстват така, което, честно казано, не е толкова често.
Най-разочароващо от тях, те носят маски и никога не изглеждат по същия начин два пъти.
Но нов експеримент може да ни отведе само крачка по-близо до откъсването на тези маски. Разкриването на истинската неутринова идентичност би могло да помогне на отговорите на дългогодишни въпроси, като например дали неутрино са собствени партньори за антиматерия и дори би могло да помогне за обединяването на силите на природата в една сплотена теория.
Масов проблем
Неутрино са странни. Има три вида: електронно неутрино, муонно неутрино и тау неутрино. (Има и версиите за античастици на тези три, но това не е голяма част от тази история.) Те са наречени така, защото тези три вида се купонясват с три различни частици. Електронните неутрино се присъединяват към взаимодействия, включващи електрони. Муонните неутрино се сдвояват с мюони. Няма точки да се присъждат за отгатване с какво взаимодейства тау неутрино.
Засега това изобщо не е странно. Тук идва странната част.
За частици, които са не неутрино - като електрони, мюони и тау частици - това, което виждате, е това, което получавате. Всички тези частици са абсолютно еднакви, с изключение на техните маси. Ако забележите частица с масата на електрон, тя ще се държи точно така, както трябва да се държи електрон и същото важи за мюона и тау. Нещо повече, след като забележите електрон, той винаги ще бъде електрон. Нищо повече, нищо по-малко. Същото за мюона и тау.
Но същото не важи и за техните братовчеди, неутроните на електрон, мюон и тау.
Това, което наричаме, да кажем, „тау неутрино“ не винаги е тау неутрино. Тя може да промени своята идентичност. Тя може да се превърне в средата на полета, неутроно на електрон или мюон.
Това странно явление, което в основата никой не е очаквало, се нарича неутринно трептене. Това означава, наред с други неща, че можете да създадете електронно неутрино и да го изпратите на най-добрия си приятел като подарък. Но когато го получат, те могат да бъдат разочаровани да намерят вместо това тау неутрино.
Колебая клатушкане
По технически причини неутринното трептене работи само ако има три неутрино с три различни маси. Но неутрино, които се колебаят, не са неутрани с аромат на електрон, мюон и тау.
Вместо това има три „истински“ неутрино, всеки с различни, но непознати маси. Отлична комбинация от тези истински, основни неутрино създава всеки от неутрино ароматите, които откриваме в нашите лаборатории (електрон, мюон, тау). И така, измерваната в лабораторията маса е някаква смес от тези истински неутрино маси. Междувременно, масата на всяко истинско неутрино в сместа управлява колко често се прелива във всеки от различните аромати.
Задачата на физиците сега е да разединят всички взаимоотношения: Какви са масите на тези истински неутрино и как те се смесват, за да направят трите аромата?
И така, физиците са на лов да разкрият масите на „истинските“ неутрино, като гледат кога и колко често превключват ароматите. Отново физическият жаргон е много безполезен, когато се обяснява това, тъй като имената на тези три неутрино са просто m1, m2 и m3.
Разнообразни усърдни експерименти научиха учените на някои неща за масите на истинските неутрино, поне косвено. Например знаем за някои от отношенията между квадрата на масите. Но не знаем точно колко тежи някое от истинските неутрино и не знаем кои са по-тежки.
Може да бъде, че m3 е най-тежкият, далеч надвишаващ m2 и m1. Това се нарича "нормално подреждане", защото изглежда доста нормално - и това, нареждащите физици, по същество се досещаха преди десетилетия. Но въз основа на настоящото ни познание, може също така да е, че m2 е най-тежкото неутрино, като m1 не е много по-назад и m3 мъничко в сравнение. Този сценарий се нарича „обърнато подреждане“, защото означава, че първоначално сме предположили грешна поръчка.
Разбира се, съществуват лагери на теоретиците, които всеки от тези сценарии са верни. Теориите, които се опитват да обединят всички (или поне повечето) от силите на природата под един покрив, обикновено изискват нормално подреждане на неутрино-маса. От друга страна, поръчката с обърната маса е необходима, за да може неутрино да бъде свой близнак с античастици. И ако това беше вярно, това може да помогне да се обясни защо във Вселената има повече материя от антиматерия.
DeepCore тренировка
Кое е: нормално или обърнато? Това е един от най-големите въпроси, които се появяват от последните няколко десетилетия на изследване на неутрино, и точно такъв тип въпроси, на който беше създадена масивната обсерватория „Нейтрино“ на IceCube, да отговори. Разположена на Южния полюс, обсерваторията се състои от десетки струни детектори, потънали в ледния лист на Антарктида, с централен „DeepCore“ от осем струни по-ефективни детектори, способни да виждат взаимодействия с по-ниска енергия.
Неутрино едва говорят с нормална материя, така че са напълно способни да струи направо през самото тяло на Земята. И докато го правят, те ще се преобразуват в различните аромати. Всеки път в рядко време те ще ударят молекула в Антарктическия леден лист близо до детектора на IceCube, задействайки каскаден душ от частици, които излъчват изненадващо синя светлина, наречена радиация на Черенков. Именно тази светлина открива струните на IceCube.
В скорошна книга, публикувана в списанието arXiv преди печат, учените от IceCube използваха три години данни на DeepCore, за да измерват колко от всеки вид неутрино са преминали през Земята. Напредъкът е бавен, разбира се, защото неутрино са толкова трудни за улавяне. Но в тази работа. учените отчитат леко предпочитание в данните за нормално подреждане (което би означавало, че предположихме точно преди десетилетия). Все още обаче не са намерили нищо твърде категорично.
Това всичко ли ще получим? Със сигурност не. IceCube се подготвя за голяма ъпгрейд скоро и нови експерименти като Precision IceCube Next Generation Upgrade (PINGU) и Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) се подготвят за справяне и с този централен въпрос. Кой знаеше, че толкова прост въпрос за подреждането на неутрино маси ще разкрие толкова голяма част от начина, по който работи Вселената? Жалко е, че също не е лесен въпрос.
Пол М. Сътър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на „Попитайте Космонавт" и "Космическо радио, "и автор на"Вашето място във Вселената."
