Нейтрино – это легковесы субатомного мира. Эти чрезвычайно многочисленные, редко взаимодействующие частицы по меньшей мере в 500 000 раз легче электронов. Они образуются на Солнце, во взрывающихся звездах и в процессах распада на Земле. Но они редко взаимодействуют с другим веществом, и мы вряд ли знаем сколько их вокруг.
В течение десятилетий физики думали, что эти призрачные частицы не имеют массы. Но эксперименты показали, что у нейтрино есть масса – есть даже три разные массы.
Ученым еще предстоит измерить точное значение каждой из них. Но даже выяснение самого тяжелого нейтрино стало бы огромным скачком в нашем понимании физики. Многое зависит от ответа на загадку известную как «иерархия масс нейтрино».
Солнце, небо и земля
Нейтрино взаимодействуют с веществом в виде электронных нейтрино, мюонных нейтрино или тау-нейтрино. И они могут колебаться, что означает, что нейтрино перемещаются между этими тремя идентичностями.
Процессы в ядре Солнца генерируют поток электронных нейтрино, многие из которых превращаются в мюонные и тау-нейтрино к моменту, когда достигают Земли.
Но три типа нейтрино не соответствуют непосредственно трем массам. Вместо этого существует три «состояния массы нейтрино» с номерами 1, 2 и 3, каждое с разной вероятностью взаимодействия с веществом в виде электронного нейтрино, мюонного нейтрино или тау-нейтрино.
Знание скоростей, с которыми нейтрино колеблются от одного типа к другому, позволяет ученым сделать некоторые выводы о взаимосвязи между тремя массовыми состояниями. Тщательные измерения солнечных нейтрино показывают, что второе массовое состояние лишь немного тяжелее первого. Измерения колебаний мюонных нейтрино в атмосфере и на ускорителях указывают на большую разницу в массе между третьим массовым состоянием и двумя другими.
Но ученые до сих пор не смогли определить, является ли массовое состояние 3 намного тяжелее или намного легче состояний 1 и 2.
Ключевой элемент головоломки
Является ли третье нейтрино самым легким или самым тяжелым, имеет огромное значение для нашего понимания этих многочисленных частиц. Например, источник массы нейтрино остается неизвестным. Определение того, является ли оно сродни механизму Хиггса, который отвечает за массу других частиц, частично зависит от выяснения иерархии.
Кроме того, поскольку нейтрино не имеют электрического заряда, теоретически они могут быть собственными частицами антивещества. Знание порядка масс поможет в экспериментах, которые проверяют эту гипотезу, открывая путь к глубоким вопросам обо всей Вселенной.
Ученые в экспериментах сравнивают скорость колебаний нейтрино со скоростью колебаний антинейтрино. Любые различия между ними могут помочь ученым выяснить, что происходит с массами нейтрино. Это также может помочь им понять, почему материя победила антивещество в ранней Вселенной. Возможно, мы обязаны своим существованием нейтрино, но пока мы не можем быть в этом уверены.
Ответ в пределах досягаемости
В отличие от многих загадок в физике элементарных частиц, иерархия масс нейтрино имеет четкий путь к разрешению. Ответ лежит в пределах возможностей следующего поколения экспериментов.
Международный эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment, организованный Fermilab и запуск которого запланирован на конец 2020-х годов, отправит нейтрино примерно на 1000 километров, что на 60% дальше, чем это делали ранее, предоставляя нейтрино больше материи для взаимодействия. Такое долгое путешествие усилит влияние Земли на колебания нейтрино, что позволит исследователям выявить иерархию масс.
Даже тогда мы будем знать только различия между тремя массами нейтрино, но общая величина масс останется пока загадкой.
