Particula care nu a existat: Episodul III Întoarcerea fizicii

La începutul anilor 1990 existau dovezi experimentale ale unei noi particule, neutrino de 17 keV. În această a treia parte a poveștii vreau să examinez reacția fizicienilor teoretici la această posibilitate, o poveste cu care am o relație foarte personală.

Când am început să scriu această poveste weekendul trecut, tocmai parcurgeam lucrarea teoretică, dar încă nu o văzusem. Dacă aș fi știut în ce mă adânc, aș fi putut mai bine să închei această poveste după episodul II - ultima mea ocupație serioasă cu fizica teoretică a particulelor elementare a fost cu puțin timp în urmă și lucruri precum majoronii, mecanismele de vizionare, mecanismele MSW, Leptoquarks, Zeldovich-Konopinski-Mahmoud-Lepton-acuzații mi-au făcut să bâzâie capul.

Dar nu vă faceți griji - nu voi intra prea adânc în detalii, ci doar încercați să arăt cum au abordat teoreticienii noua particulă. Dacă devine prea tehnic pentru dvs., săriți direct în jos la ultima secțiune, acolo vă voi spune de ce sunt interesat de neutrino de 17 keV și voi încerca să trag concluzii generale, așa cum am făcut la sfârșitul episodului II.

Ce ar putea fi neutrino de 17 keV?

Ceea ce nu putea fi a fost relativ clar: o a patra aromă de neutrini pe lângă neutrini de electroni, muoni și tauoni. (Uneori scriu Tau-Neutrino, alteori Tauon-Neutrino. Ambele sunt la fel.) Experimentele de la CERN au exclus cu siguranță că, deoarece acest neutrino ar fi trebuit să fie văzut atunci când bosonul Z a decăzut. Din decăderea bosonului Z se poate deduce că pot exista doar trei arome de neutrini. (Un al patrulea ar fi de conceput doar dacă neutrino ar avea o masă care era în aceeași ordine de mărime ca cea a bosonului Z și ar fi mult mai grea decât bosonul Z, dar care nu s-ar potrivi cu valoarea de 17 keV, deoarece bosonul Z este de aproximativ 5 milioane de ori mai greu decât asta.)

Ar putea fi neutrino de 17 keV doar neutrino tau? Pentru a face acest lucru, neutrino electron trebuie să poată deveni un neutrino tau.

Stări de particule mixte
Neutrinul de 17 keV (care, din motive de simplitate, pretinde că există, altfel textul de aici va fi absolut ilizibil din cauza numărului mare de conjunctive) ar trebui să apară în timpul decăderii β. În decaderea β, un neutron se descompune în mod normal într-un proton, un electron și un neutrino de electroni, dar în aproximativ 1% din cazuri (conform datelor din 1992) ar trebui creat un neutrino de 17 keV în locul neutrino-ului de electroni.

O posibilitate cum ar putea funcționa acest lucru ar fi crearea mai întâi a unui neutrino de electroni, care apoi se transformă în neutrino de 17 keV. Astfel de conversii de particule nu sunt nimic nou în fizică - în anii 50 și 60, mezonul K neutru (kaon) a dat fizicienilor o durere de cap, deoarece se pare că s-ar putea transforma spontan în propria sa antiparticulă. Această conversie este un fenomen mecanic cuantic.

În cazul neutrino, se poate gândi la aceasta în felul acesta: neutrino electron este particula care aparține emisiei unui electron. Deoarece distincția dintre electron, muon și tauon este, de asemenea, denumită „aromă”, neutrino-ul de electroni aparține aromelor electronice - fizicienii spun că este o stare mecanică cuantică proprie. Dacă se schimbă spontan într-un alt neutrino (cel de 17 keV), atunci își schimbă proprietățile în proces, deci nu este stabil. Din relația de incertitudine se poate deduce că masa neutrino-electronului nu este fixă. Prin urmare, stările proprii ale masei nu sunt în același timp stări proprii ale aromei.

Aceasta este vechea relație de incertitudine din mecanica cuantică într-o formă ușor diferită: Dacă măsoară „aroma” neutrino (și o fac indirect cu decăderea β, pentru că observ electronul), atunci masa sa nu este fixă. Dacă îi măsor masa (sau energia), atunci din nou aroma nu este clar definită. Neutrinul de electroni din această imagine ar fi un amestec de neutrino ușor (care nu este o stare proprie de aromă) și neutrino de 17 keV. Prin urmare, un neutrin care plutește liber într-o stare proprie de energie își schimbă aroma.

(De altfel, acest mecanism există de fapt - așa cum știm astăzi, neutrinii electronici se pot transforma în neutrini muoni sau tauoni.)

Așadar, vă puteți imagina că neutrino electron se va transforma într-un neutrino tau în 1% din cazuri, în timp ce se află încă în detector. Aceasta ar fi o soluție simplă și elegantă a problemei. Din păcate, acest lucru nu este ușor. Pentru a înțelege acest lucru, să aruncăm o privire asupra nivelului de cunoștințe din acel moment.

Cercetarea neutrino la începutul anilor 1990
În plus față de neutrino de 17 keV, cercetarea neutrino a avut o altă problemă deschisă la începutul anilor 1990: măsurătorile neutrinilor solari au arătat că numărul de neutrini a fost mult prea mic. Deoarece detectoarele de pe pământ nu puteau măsura decât neutrini de electroni, o modalitate de a explica acest lucru a fost aceea că neutrinii de electroni s-au transformat pe drumul de la soare la noi, într-un mecanism de amestecare, așa cum tocmai am explicat.

De asemenea, nu se știa încă dacă neutrinii au o masă. Cele două probleme sunt legate - neutrinii fără masă nu se pot transforma unul în celălalt. Acest lucru poate fi explicat clar: neutrinii fără masă zboară cu viteza luminii. Conform teoriei relativității, nu există timp pentru ca aceștia să treacă în timpul zborului, deci nu se pot transforma singuri. (Acest argument, desigur, nu este complet curat în teorie, dar nu contează aici.)

Interesantă a fost și observarea supernei 1987A. Făcând acest lucru, 24 de neutrini au fost detectați pe pământ - nu sună prea mult, dar dacă calculați cât de departe a fost pământul de supernovă și cât de mică este probabilitatea ca un neutrin să fie măsurat de fapt în detector, veți descoperi că supernova își pierde de fapt cea mai mare parte a energiei sub formă de neutrini.

Probleme cu neutrino de 17 keV
Ar putea fi neutrino de 17 keV doar neutrino tau? Mai precis, neutrinul de 17 keV ar putea fi o stare de masă care corespunde în esență aromei tau, cu un mic amestec al aromei electronilor, deoarece neutrinii tau și electronii trebuie să se convertească unul în altul?

Din datele exploziei supernovai s-ar putea deduce cât de repede supernova a radiat energie. Dacă neutrino electron se transformă într-un neutrino tau, cu o probabilitate de 1% în decăderea β, atunci în supernova ar apărea destul de mulți neutrini tau. O comparație cu datele a arătat că o limită superioară pentru masa neutrino tau ar putea fi derivată din acesta - era 30 keV, ceea ce era aproape compatibil cu datele.

O altă problemă a apărut atunci când ne-am gândit la Big Bang: dacă s-ar fi format acolo 17 neutrini keV cu mare frecvență, atunci masa lor ar fi făcut ca universul să se prăbușească devreme. În plus, ar fi influențat radiația cosmică de fundal - spectrul său ar trebui să arate complet diferit de cel măsurat. Problema poate fi rezolvată numai dacă neutrino-ul de 17 keV se poate descompune în alte particule.

Există posibilități pentru acest lucru în cadrul modelului standard, dar durata de viață a neutrino-ului tau în modelul standard este ordinele de mărime mai mari decât vârsta universului, deci decăderea ar fi mult prea lentă pentru a preveni prăbușirea universului imediat după big bang.

Prin urmare, modelul standard trebuie extins, neutrino de 17 keV conține cu siguranță o fizică nouă. Dacă este neutrino tau, atunci sunt necesare noi posibilități de decădere. Dacă nu este neutrino tau, atunci ce este?

Speculație

Foot și King au realizat un model în care neutrino de 17 keV este de fapt (în esență) neutrino tau. Pentru ca acesta să fie în concordanță cu observațiile, au trebuit introduse încă câteva particule, toate fiind foarte grele (peste 200 GeV) și, prin urmare, nu au fost observate experimental. Modelul a abordat și o altă problemă: a dovedit că sarcina electrică trebuia cuantificată.

Premiul Nobel Glashow a avut un model similar, în care existau șase state de neutrini amestecate într-un mod complicat. Neutrinul de 17 keV s-ar putea descompune în așa-numiții majoroni, care sunt particule teoretice neîncărcate și aproape neobservabile. Modele similare au fost înființate în număr mai mare în anii următori, toate diferă ușor în ceea ce privește modul în care sunt amestecate exact diferitele stări de neutrino.

Unele dintre aceste modele au rezolvat problema neutrinilor solari în același timp - neutrinii au fost amestecați în așa fel încât au oscilat pe drumul de la soare la pământ și, prin urmare, nu sunt văzuți aici.

Joshipura a construit un model drăguț în care aparent, neutrinul de 17 keV nu a rezolvat problema neutrinilor solari (din păcate, am acces doar la abstract, așa că nu sunt foarte sigur dacă o face), dar cel puțin pentru celebra materie întunecată este responsabilă.

Papageorgiu și Ranfone au investigat diferite posibilități. Într-una dintre acestea, neutrino de 17 keV se descompune într-o altă particulă ipotetică, axionul. O altă publicație a urmărit să vadă dacă neutrino-ul de 17 keV nu poate fi inclus în așa-numitele teorii GUT (Grand Unified Theories), care combinau slăbiciunea electrică și forța puternică și se știa deja că postulează un sac de particule noi. . Răspunsul a fost: Funcționează, dar a trebuit să faceți o mulțime de presupuneri suplimentare, astfel încât totul să fie în concordanță cu măsurătorile.

O idee complet diferită implică alte particule ipotetice, așa-numitele „leptoquark”. Leptoquark-urile pot transforma leptonii (inclusiv neutrini) în cari și viceversa. Ele apar în unele modele GUT și pot fi folosite și pentru a obține neutrino de 17 keV sub un singur acoperiș cu măsurătorile.

În mai multe modele, neutrino 17 keV este un amestec de neutrino electron și o nouă particulă, un neutrino „steril”. Se numește steril, deoarece nu interacționează deloc cu materia. (Cu excepția masei sale.) Într-o lucrare, Choudhury introduce câteva noi stări de lepton care duc în cele din urmă la neutrinul de 17 keV, care se descompune suficient de repede pentru a evita probleme cu experimentele.

Poate că teoria generală a relativității joacă și ea cumva în problemă? În orice caz, am găsit și două lucrări în care erau implicate efectele Planck (adică efectele asupra scalei de lungime, unde efectele cuantice ale gravitației sunt importante). Efectele gravitaționale asupra scării Planck ar trebui să fie responsabile pentru masele de neutrini. Acest lucru are ca rezultat mase de neutrini foarte mici (semnificativ mai mici de 1 eV). Pentru ca neutrino-ul de 17 keV să poată fi găzduit, trebuie introdusă din nou o particulă suplimentară; neutrino 17-keV este apoi o stare mixtă a neutrino electron și a noii particule, care nici măcar nu interacționează cu materia.

Una peste alta, puteți vedea că au existat destul de multe încercări de a găzdui neutrino de 17 keV. Probleme precum posibila prăbușire a universului sau neutrinii supernei au fost rezolvate prin adaptarea noii fizici care au fost dezvoltate în consecință. Pentru a fi corect, trebuie spus, de asemenea, că au existat și publicații negative care arată că anumite modele cu siguranță nu ar funcționa.

Wietfeldt și Norman ajung la următoarea concluzie în recenzia lor.

Este un omagiu adus ingeniozității teoretice că, în ciuda constrângerilor severe, au fost dezvoltate o serie de modele viabile, chiar dacă au fost concepute, pentru neutrinul de 17 keV.
Trebuie să se acorde atenția teoretică că, în ciuda condițiilor dificile la graniță, au fost dezvoltate o serie de modele utile, deși oarecum artificiale, pentru neutrino de 17 keV.

Neutrul de 17 keV și eu
Neutrinul de 17 keV și-a experimentat „perioada de glorie” când îmi scriam diploma și apoi teza de doctorat în fizică teoretică la DESY din Hamburg.

La acea vreme, articolele (înainte de a fi publicate în reviste) ca așa-numitele preimprimări nu erau încă distribuite în prealabil comunității de fizică prin intermediul serverelor de pe internet, ci erau trimise în întreaga lume sub formă de hârtie. În fiecare lună, după prânz, mergeați la bibliotecă și verificați noile tipărituri pentru a vedea dacă este ceva interesant.

Așa că am auzit despre neutrino de 17 keV pentru prima dată. După ce am început să acord o atenție la acest lucru, am observat că cel puțin o dată la câteva săptămâni a existat o nouă preimprimare teoretică pentru neutrino de 17 keV și modul în care acesta s-a încadrat în fizică. Mi s-a părut că fiecare teoretician ar putea încorpora noua particulă în teoria sa personală preferată în așa fel încât să rezulte „complet natural” - „natural” este de fapt un cuvânt pe care îl întâlnim adesea aici în lucrările de teorie. Dacă mă uit din nou la scurta mea prezentare de mai sus, atunci această impresie probabil că nu a fost complet greșită.

Când particula nu a existat (nu-mi amintesc exact când am aflat, dar cred că a fost doar 1995 - nu am citit preimprimări experimentale la fel de des ca cele teoretice), m-a făcut foarte atent. Este cu adevărat posibilă inserarea unei particule complet arbitrare în fizică și niciunul dintre modelele actuale pentru fizica extinsă (GUT-uri, supersimetriile și tot ce există) nu este infirmat de această particulă? Și dacă acesta este cazul, fizica teoretică este încă o adevărată știință?

Aceste întrebări, care sunt la fel de populare în zilele noastre despre teoria corzilor, m-au îngrijorat la vremea respectivă - modelele fizicii teoretice sunt chiar falsificate? Au existat multe motive pentru care am decis în 1996 să fac altceva în loc de fizică teoretică, dar unul dintre ei a fost neutrino de 17 keV.

După ce am citit și m-am gândit la multe dintre publicațiile din ultimele zile, nu sunt sigur dacă nu eram prea pesimistă atunci. Pentru a fi sincer, Modelul standard este deja plin de numere și presupuneri arbitrare. (Totuși, în raport cu tot ceea ce explică, este încă o teorie incredibil de bună). Încorporarea unui neutrino de 17 keV într-un fel sau altul adaugă câteva alte ipoteze. În acest sens, critica mea față de modelul standard și posibilele sale extensii a fost probabil exagerată.

De asemenea, a fost mai dificil să se încorporeze neutrinul de 17 keV în teorie, astfel încât datele din explozia supernova 1987A și modelele din Big Bang să rămână corecte. În acest scop, proprietățile neutrino-ului de 17 keV în ceea ce privește durata de viață etc. trebuiau restricționate sever. Cu siguranță, trebuie să-i credităm pe teoreticieni pentru că au încercat activ să găsească astfel de restricții și să le ia în considerare în modelele lor. Se pare că au reușit să găsească câteva modele care să fie în concordanță cu toate observațiile. Mi se pare îndoielnic dacă toate aceste modele ar fi putut supraviețui efectiv dacă ar fi fost examinate în continuare. Poate că cercetările ulterioare ar fi arătat că multe dintre ele conțin probleme nerezolvate.

În cele din urmă, este probabil similar cu concluzia din lucrarea experimentală: teoreticienii individuali ar fi putut fi prea optimiști în ceea ce privește compatibilitatea noii particule cu teoria lor personală preferată. La fel ca în cazul fizicienilor experimentali, există, desigur, multă faimă de câștigat dacă puteți fi primul care integrează o particulă într-un model. Este posibil ca unele dintre publicații să nu fi rezistat controlului viitor. Dacă neutrino de 17 keV nu ar fi fost infirmat în 1993, aceste publicații ar fi fost analizate în continuare, s-ar fi găsit inconsecvențe și în cele din urmă doar o fracțiune din modele ar fi supraviețuit.

Și aici devine clar că știința funcționează în cele din urmă doar în interacțiunea dintre indivizi. Unii oameni de știință pot fi prea entuziaști și ocazional ignoră problemele sau inconsecvențele - dar alții vor examina teoriile pentru a le rafina sau dezvolta și, în acest proces, vor descoperi aceste probleme. După cum am văzut, acest mecanism a funcționat foarte bine în experimentele pe neutrino de 17 keV; în teorii ar fi funcționat probabil dacă particula ar fi supraviețuit.

Iată câteva dintre publicații - dacă cineva dorește să aibă întreaga listă sau dorește să fie plin de pdf, trimiteți doar un e-mail ...

Elena Papageorgiu și Stefano Ranfone
Puzzle-ul ierarhiei de masă și neutrino de 17 keV în contextul unui model universal de balansoar

Elena Papageorgiu, Stefano Ranfone,
Mase de neutrini în modelul SU (5) x U (1) și SU (4) x O (4) GUT

Subhash Rajpoot
Un model pentru neutrino de 17 keV al lui Simpson

R. Foot, S. F. King
Cuantificarea sarcinii electrice cu un neutrino de 17 keV,

L. Bento, J. W. F. Valle
Cel mai simplu model pentru neutrino de 17 keV și efectul MSW

Miriam Leurer
Pe neutrinul nemiscat de 17 keV

Eugeni Kh. Akhmedov, Zurab G. Berezhiani, Goran Senjanovic, Zhijian Tao
Efectele scalei Planck în fizica neutrino

Debajyoti Choudhury
Simetrie discretă, moment magnetic Neutrino și Neutrino de 17 keV

Debajyoti Choudhury, Utpal Sarkar,
Un nou mecanism pentru a genera un neutrino de 17 keV

Sidney A. Bludman,. C. Kennedy și P.G. Langacker
Predicții ale modelului de balansoar pentru masa τ-neutrino