Квантовая сістэма кандэнсаваных рэчываў змагла стварыць квазічастицы, якія паводзяць сябе так, як прадказваюць сябе часціцы мажорана. Але шанц на адкрыццё таго, што нейтрына, асноўная часціца, з'яўляецца мажоранай па сваёй прыродзе, зрабіў бы рэвалюцыю ўсім. Малюнак: Лабараторыя Яздані, Універсітэт Прынстана.

Зламаць стандартную мадэль? Ультра-рэдкі распад пагражае зрабіць тое, што LHC не можа

Калі мы бачым распад атамнага ядра асаблівым чынам, гэта азначае, што Сусвет прынцыпова адрозніваецца ад таго, як мы бачым яго сёння.

"У свеце ёсць некалькі катэгорый навукоўцаў; тыя, хто мае другі ці трэці ранг, робяць усё магчымае, але ніколі не трапляюць вельмі далёка. Тады ёсць першы ранг, тыя, хто робіць важныя адкрыцці, фундаментальныя для навуковага прагрэсу. Але ёсць такія геніі, як Галілей і Ньютан. Маёрана была адной з такіх. " -Энрыка Фермі

На Вялікім адронным калайдары (LHC) фізікі паскараюць часціцы да максімальнай энергіі і ў найбольшай колькасці, якую чалавецтва ніколі не дасягала. Мы разбіваем іх разам з хуткасцю святла больш за 99,999999%, спрабуючы стварыць новыя, ніколі раней не бачаныя часціцы і разгадаць найвялікшыя, найбольш фундаментальныя таямніцы Сусвету. Нягледзячы на ​​выяўленне бозона Хігса і стварэнне мільёнаў гэтых сутыкненняў кожную секунду на працягу многіх гадоў, ніколі не было знойдзена нічога, што вывяло б нас за межы часціц і ўзаемадзеянняў Стандартнай мадэлі. Але зусім іншы, прыземлены падыход мае магчымасць зрабіць менавіта гэта: проста сабраць вялікую колькасць радыеактыўных, няўстойлівых часціц разам у дэтэктар і пачакаць. Калі ўзнікае новы тып распаду, ён зробіць рэвалюцыю ў тым, як мы разумеем нейтрына, выцягваючы нас за рамкі стандартнай мадэлі элегантна, дзіўна і доўгачаканым чынам.

Усе вядомыя часціцы і антычастицы Стандартнай мадэлі былі знойдзены. Усё сказана, што яны робяць відавочныя прагнозы. Любое парушэнне гэтых прагнозаў будзе прыкметай новай фізікі, якую мы адчайна шукаем. Малюнак: Э. Зігель.

Наша Сусвет, наколькі мы ведаем, складаецца з двух тыпаў часціц: Ферміёнаў і Бозонаў. Ферміёны маюць спіны, якія маюць палова цэлага характару (напрыклад, ± 1/2), маюць аналагі антычасцінак, якія адрозніваюцца ад саміх часціц, і ўключаюць кваркі (якія складаюць пратоны і нейтроны) і лептоны (як электроны і нейтрына) . Базоны, наадварот, маюць цэлыя спіны (напрыклад, 0, ± 1), могуць быць уласнай часціцай, адказваюць за асноўныя сілы паміж часціцамі і ўключаюць фатон, глюоны і слабае распад (W ± і Z) асновы. З адкрыццём бозона Хігса ў пачатку гэтага дзесяцігоддзя ў супрацоўніцтве ATLAS і CMS, былі знойдзены апошнія прагназуемыя часціцы ў Стандартнай мадэлі. Цяпер вядома ўсё неабходнае для завяршэння нашай карціны моцных, слабых і электрамагнітных узаемадзеянняў.

Часціцы і сілы стандартнай мадэлі. Цёмная матэрыя не даказана ўзаемадзеяння ні з адным, акрамя гравітацыйнага, і гэта адна з шматлікіх загадак, якіх Стандартная мадэль не можа ўлічваць. Крэдыт малюнка: Праект сучаснага фізічнага навучання / DOE / NSF / LBNL.

Але ў любым выпадку фантазія не азначае, што робіцца фундаментальная фізіка! На самай справе, ёсць шэсць вялікіх намёкаў на дадатковую працу, каб растлумачыць наш Сусвет, нават калі мы не выявім нічога больш, чым тое, што ўжо ведаем. Яны ўключаюць:

  1. Цёмная матэрыя: вядомыя, часціцы стандартнай мадэлі могуць складаць толькі 5% усёй энергіі і каля 17% ад агульнай масы ў Сусвеце. Астатняе павінна складаць гравітацыйнае ўздзеянне нейкага новага тыпу матэрыі, якая атрымала назву цёмнай матэрыі. Што б там ні было, часціцы (адказнасць) за іх не ўваходзяць у Стандартную мадэль.
  2. Масіўныя нейтрыны: ад электронаў пры энергіі паў МеВ да верхняй кваркі каля 170 ГэВ, усе ферміёны маюць масу спакою, што знаходзіцца ў пэўным дыяпазоне. За выключэннем нейтрына, гэта значыць якіх-то менш 0,00003% масы электрона. Адкуль гэтая маса бярэцца і чаму яна такая малая, ніхто не ведае.
  3. Моцнае парушэнне CP: калі няўстойлівыя часціцы распадаюцца, ёсць пэўныя тыпы сіметрыі, якія могуць альбо падпарадкоўвацца, альбо не падпарадкоўвацца, у тым ліку люстраная (P) сіметрыя і сіметрыя часціц / антычастак. Слабыя ўзаемадзеянні парушаюць CP, і ў Стандартнай мадэлі няма нічога, што забараняе парушэнне CP пры моцных узаемадзеяннях. Тым не менш, ніхто ніколі не назіраўся. Чаму не?
  4. Цёмная энергія: здаецца, ёсць энергія, уласцівая самому пустому прасторы; што энергія нулявой кропкі квантавага вакууму не роўная нулю. Але гэта таксама не роўна прадказанням, што дае тэорыя квантавага поля, якая ў некалькі разоў больш. Прырода цёмнай энергіі - велізарная загадка.
  5. Барыёгенез: чаму больш рэчывы, чым антыматэрыя, калі кожны працэс, які мы калі-небудзь назіралі, альбо вырабляе альбо знішчае матэрыю і антыматэрыю ў роўных колькасцях? Павінна быць асноўная прычына ў асіметрыі матэрыі / антыматэрыі, але мы не ведаем, што гэта.
  6. Праблема іерархіі: існуе вялікая неадпаведнасць сілы трох квантавых сіл (слабой, моцнай, электрамагнітнай) і сілы гравітацыі. Акрамя таго, масы ўсіх часціц неверагодна малюсенькія ў параўнанні з масай Планка: на 17+ парадкаў менш. Чаму гэта? Гэта праблема іерархіі.
Логарыфмічная шкала, якая паказвае масы ферміёнаў Стандартнай мадэлі: кваркі і лептоны. Звярніце ўвагу на тонкасць нейтрынных мас. Малюнак: Хітосі Мураяма.

Такім чынам, мы можам быць упэўнены, што стандартная мадэль сама па сабе не можа адказаць на ўсё. За гэтыя гады было шмат прапанаваных пашырэнняў, якія імкнуліся развязаць некаторыя ці ўсе гэтыя галаваломкі, у тым ліку вялікія тэорыі аб'яднання (GUTs), суперсіметрыя, дадатковыя памеры, technicolor, leptoquarks, тэорыя струн і шмат іншага. На жаль, гэтыя гіпатэтычныя дапаўненні да Стандартнай мадэлі не змаглі знайсці нават шмат пацверджаных эксперыментальных дадзеных, нягледзячы на ​​пошукі беспрэцэдэнтнай энергіі і колькасці сутыкненняў часціц у LHC.

Трэкі часціц, якія ўзнікаюць пры сутыкненні з высокай энергіяй на LHC ў 2014 годзе. Хоць гэтыя сутыкненні багатыя і неверагодна энергічныя, яны яшчэ не далі ніякіх пераканаўчых доказаў фізікі за межамі стандартнай мадэлі.

Але ёсць пашырэнне, якое было ўпершыню прапанавана яшчэ ў 1937 годзе, задоўга да таго, як была распрацавана самая стандартная мадэль, што можа быць асновай шэрагу гэтых галаваломак: ідэя, што нейтрына - гэта свае ўласныя антычасціны. Я ведаю, што мы толькі што казалі, што ўсе Ферміёны - гэта часціцы з антыматэрыяльнымі аналагамі, але гэта абапіраецца на здагадку, якое мы маўкліва зрабілі. У квантавай фізіцы мы апісваем гэтыя ферміённыя часціцы хвалевай функцыяй: матэматычнае прадстаўленне, якое змяшчае як рэальныя, так і ўяўныя часткі. Для зараджаных Ферміёнаў, такіх як кваркі, электроны, мюоны і таус, гэта так і павінна быць. Але ёсць спецыяльная магчымасць, якая спрацавала б выдатна, калі ў вас нейтральныя Ферміёны: у хвалевай функцыі ёсць толькі рэальныя часткі.

Асіметрыя матэрыі / антыматэрыі - гэта асноўная праблема, якая патрабуе дадання новай фізікі і новых часціц / узаемадзеянняў для вырашэння праблемы. Сцэнарыі, такія як Грандыёзнае аб'яднанне (праілюстравана тут), сутыкаюцца з цяжкасцямі, але калі нейтрына маюць характар ​​мажораны, гэтая праблема можа мець элегантнае, практычнае рашэнне. Малюнак: Э. Зігель / За Галактыкай.

У квантавай фізіцы ўсё, што аддзяляе матэрыю ад антыматэрыі, заключаецца ў тым, што вы перагортваеце знак уяўнай часткі, якая вядомая як прыняцце складанага спалучэння. Але калі ўзяць складанае спалучэнне чагосьці цалкам рэальнага, вы проста атрымаеце арыгінальную рэч, якую вы пачалі са спіны. Калі гэта датычыцца нейтрына, то яны будуць уласнай антычастак. У гэтым выпадку яны будуць новым тыпам Ферміёна: Ферміёнам Мажарана замест стандартнага старога Ферміёна Дырака.

Шматлікія нейтрынавыя падзеі, адноўленыя з асобных нейтрына-дэтэктараў. Нейтрына і антынейтрына маюць розныя спіны пры высокіх (назіраных) энергіях, але на самай справе могуць быць аднолькавыя часціцы, калі сцэнар Мажораны правільны. Малюнак: Супрацоўніцтва Super Kamiokande / Томаш Баршчак.

І нейтрына назіраюцца як смешныя рэчы для ферміённых часціц. У той час як усе астатнія - часціцы і антычасцінкі - могуць мець спін +1/2 альбо -1/2, нейтрына, якія мы ствараем, маюць спін -1/2, а антынейтрына ўсе спінавыя +1/2. Чаму дзіўныя паводзіны? І калі вы нейтрана запаволілі дастаткова, ці зможаце вы "перавярнуць" яго і раптам прымусіць яго паводзіць сябе як антынейтрына? Калі адказ на гэтае другое пытанне так, то становяцца магчымымі ўсялякія неверагодныя рэчы. Становіцца магчымым парушэнне колькасці лептонаў, магчыма, дапамагае вырашыць барыёгенез. Ён дае дадатковыя ўскосныя доказы ідэі механізму пілы, які можа растлумачыць нейтрынавыя масы і забяспечыць кандыдата цёмнай матэрыі. І, што самае цікавае, гэта прыводзіць да прагназавання новага тыпу распаду: двайны бета-бетрынавы распад.

Ёсць некалькі атамных ядраў, якія назіраюцца пад звычайным двайным бэта-распадам, дзе два нейтрона ператвараюцца ў два пратоны (змяняючы ядро), а таксама выкідваюцца два электрона і два антинейтрына. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя Oak Ridge / UT-Battelle / Дэпартамент энергетыкі.

Звычайна адзін з двух найбольш распаўсюджаных спосабаў распаду радыеактыўных рэчываў - гэта бэта-распад, калі адзін з нейтронаў у атамным ядры распадаецца на пратон, электрон і антынейтрына. У некалькіх вельмі рэдкіх выпадках некаторыя элементы перажываюць двайны бэта-распад, калі два нейтрона ў ядры адначасова пераўтвараюцца ў два пратоны, два электроны і два антинейтрино. Гэтыя распады займаюць надзвычай шмат часу, час іх паўраспаду складае каля 10² гадоў, альбо прыблізна ў 100 мільярдаў разоў ад цяперашняга ўзросту Сусвету. Аднак збярыце дастаткова часціц, і вы ўбачыце, што гэта адбудзецца. Але калі нейтрына - гэта часціца мажорана і яе ўласная антычасцінка, то антынейтрына можа альбо знішчыць, альбо можна паглынуць іншае ядро. У любым выпадку вы атрымаеце два нейтрона, якія пераўтвараюцца ў два пратоны, два электроны і зусім няма нейтрына.

Калі назіраецца гэты распад, пры якім у вас двайны бэта-распад і не вылучаецца нейтрына, гэта азначае, што нейтрына з'яўляюцца мажоранамі. Малюнак: Нацыянальная лабараторыя Oak Ridge / UT-Battelle / Дэпартамент энергетыкі.

Хоць эксперыментальныя вынікі пошуку гэтага распаду часам акружаныя спрэчкай, дзве апошнія каманды паставілі абмежаванне на хуткасць гэтага, бо ён перавышае ~ 2 × 10²⁵ гадоў, або больш чым у чатыры мільёны разоў узрост Сусвету. Але выяўленне нават адзінага, добрасумленнага падзея двайнога бета-распаду нейтрына, азначае, што хаця б адно (і, напэўна, усё) нейтрына павінна быць часцінкай мажараны.

У 1930-я гады Эторэ Маджорана (на фота тут) выявіў магчымае тэарэтычнае рашэнне, што Ферміёны могуць адрознівацца па сутнасці, чым стандартныя малюнкі часціц / часціц. На самай справе нейтрына можа мець мажорану ў прыродзе. Крэдыт малюнкаў: выдавецтвы Mondadori.

Проста, седзячы побач з кучай няўстойлівых атамаў, чакаючы, пакуль яны распадуцца, і вымераючы прадукты распаду да неверагоднай дакладнасці, у нас ёсць патэнцыял, каб нарэшце зламаць Стандартную мадэль. Нейтрына - гэта ўжо той самы тып часціц, які, як вядома, выходзіць за рамкі першапачатковай прагнозу Стандартнай мадэлі, у дадатак да сваёй масавай праблемы патэнцыйныя сувязі з цёмнай матэрыяй, цёмнай энергіяй і барыёгенезам. Выявіўшы, што яны перажываюць гэты дзіўны, ніколі ня бачаны распад, зрабілі б іх уласнымі антычасцінкамі і ўвядуць мажорскую фермін у рэальны свет. Калі прырода да нас добрая, скрынка з радыеактыўнымі матэрыяламі нарэшце можа зрабіць тое, што LHC не можа: праліць святло на некаторыя самыя глыбокія, самыя фундаментальныя загадкі пра прыроду нашага Сусвету.

Цяпер пачынаецца з выбуху на Forbes, і апублікаваны на Medium дзякуючы нашым прыхільнікам Patreon. Этан напісаў дзве кнігі "За межамі Галактыкі" і "Трэкнологія: Навука пра зорны шлях" ад трыкутнікаў да "драйву"