Частицата, която не е съществувала: Епизод III Завръщането на физиката

В началото на 90-те имаше експериментални доказателства за нова частица, 17 keV неутрино. В тази трета част от историята искам да хвърля светлина върху реакцията на теоретичните физици на тази възможност, история, към която имам много лични отношения.

Когато започнах да пиша тази история миналия уикенд, току-що бях прокарал теоретичната работа, но още не я видях. Ако бях знаел в какво се забърквам, може би щях да завърша тази история след Епизод II - последното ми сериозно занимание с теоретична физика на елементарните частици беше преди малко и неща като майорони, механизми за видение, механизми за ТБО, Leptoquarks, Zeldovich-Konopinski-Mahmoud-Lepton-charge накара главата ми да избръмче изцяло.

Но не се притеснявайте - няма да навлизам твърде подробно в детайлите, просто се опитайте да покажете как теоретиците са се справили с новата частица. Ако стане твърде технически за вас, просто скочете направо надолу до последния раздел, там ще ви кажа защо се интересувам от 17 keV неутрино и се опитайте да направите общи заключения, както направих в края на Епизод II.

Какво би могло да бъде неутрино от 17 keV?

Това, което не може да бъде, беше относително ясно: четвърти аромат на неутрино в допълнение към неутрино с електрон, мюон и тауон. (Понякога пиша Tau-Neutrino, понякога Tauon-Neutrino. И двете са едни и същи.) Експериментите в CERN определено изключват това, тъй като това неутрино е трябвало да се види, когато Z бозонът се е разпаднал. От разпадането на Z бозона може да се заключи, че може да има само три неутрино вкуса. (Четвърта би била възможна само ако неутриното има маса, която е в същия порядък като тази на Z бозона и ще бъде много по-тежка от Z бозона, но това не съответства на стойността от 17 keV, тъй като Z бозонът е около 5 милиона пъти по-тежък от това.)

Може ли 17 keV неутрино просто да е тау неутрино? За целта електронното неутрино трябва да може да се превърне в тау неутрино.

Смесени състояния на частици
17-keV неутрино (което за улеснение сега се преструва, че съществува, иначе текстът тук ще бъде абсолютно нечетлив поради големия брой конюнктиви) трябва да възникне по време на β-разпадането. При β-разпад неутронът обикновено се разпада на протон, електрон и електронно неутрино, но в около 1% от случаите (според данните от 1992 г.) вместо електронното неутрино трябва да се създаде 17 keV неутрино.

Една от възможностите как това може да работи е първо да се създаде електронно неутрино, което след това да се преобразува в неутрино от 17 keV. Подобни преобразувания на частици не са нищо ново във физиката - през 50-те и 60-те години неутралният K мезон (каон) създава на физиците главоболие, защото очевидно спонтанно се превръща в собствена античастица. Това преобразуване е квантово механично явление.

В случая на неутрино може да се мисли по следния начин: електронното неутрино е частицата, която принадлежи към емисията на електрон. Тъй като разграничението между електрон, мюон и тауон се нарича още „аромат“ („вкус“), електронното неутрино принадлежи към електронния аромат - физиците казват, че то е собствено квантово механично състояние. Ако се промени спонтанно в друго неутрино (17 keV неутрино), тогава той променя свойствата си в процеса, така че не е стабилен. От отношението на несигурността може да се заключи от това, че масата на електронното неутрино не е фиксирана. Следователно собствените състояния на масата не са едновременно собствени състояния на вкуса.

Това е добрият стар принцип на несигурност от квантовата механика в малко по-различна форма: Ако измервам „вкуса“ на неутрино (и го правя индиректно с β-разпад, защото наблюдавам електрона), тогава неговата маса не е фиксирана. Ако измервам неговата маса (или енергия), тогава вкусът не е ясно дефиниран. Електронното неутрино в тази картина ще бъде смес от леко неутрино (което не е собствено състояние на аромата) и неутрино от 17 keV. Следователно неутрино, плаващо свободно в собствено енергийно състояние, променя своя вкус.

(Между другото, този механизъм всъщност съществува - както знаем днес, електронните неутрино могат да се преобразуват в мюонни или тауонни неутрино.)

Така че може да си представим, че електронното неутрино ще се трансформира в тау неутрино в 1% от случаите, докато все още е в детектора. Това би било просто и елегантно решение на проблема. За съжаление това не е лесно. За да разберем това, нека да разгледаме нивото на познания по това време.

Изследвания на неутрино в началото на 90-те години
В допълнение към 17 keV неутрино, изследванията на неутрино в началото на деветдесетте години имаха и друг отворен проблем: измерванията на слънчевите неутрино показаха, че броят на неутрино е твърде нисък. Тъй като детекторите на земята могат да измерват само електронни неутрино, един от начините да обясни това е, че електронните неутрино се трансформират по пътя от Слънцето до нас, в механизъм за смесване, както току-що обясних.

Все още не беше известно дали неутрино има маса. Двата проблема са свързани - безмассовите неутрино не могат да се трансформират един в друг. Това може да се обясни ясно: Безмасовите неутрино летят със скоростта на светлината. Според теорията на относителността няма време да преминат по време на полета, така че те не могат да се преобразят. (Този аргумент, разбира се, не е напълно чист на теория, но тук няма значение.)

Интересно беше и наблюдението на свръхнова 1987A. По този начин на земята бяха открити 24 неутрино - не звучи много, но ако пресметнете колко далеч беше земята от свръхновата и колко малка е вероятността едно неутрино да бъде измерено в детектора, ще откриете, че свръхновата всъщност губи по-голямата част от енергията си под формата на неутрино.

Проблеми с 17 keV неутрино
Може ли 17 keV неутрино просто да е тау неутрино? По-точно, 17 keV неутрино може да бъде състояние на маса, което по същество съответства на аромата на тау, с малка примес на аромата на електрона, тъй като тау и електронните неутрино трябва да се преобразуват едно в друго?

От данните за експлозията на свръхнова може да се установи колко бързо свръхновата е излъчвала енергия. Ако електронното неутрино се промени в тау неутрино, с 1% вероятност при β разпадане, тогава в свръхновата ще бъдат създадени доста тау неутрино. Сравнение с данните показа, че от това може да се изведе горна граница за масата на неутрино тау - тя е 30 keV, така че е просто съвместима с данните.

Друг проблем възникна при разглеждането на Големия взрив: Ако 17 keV неутрино се бяха образували там с голяма честота, тогава тяхната маса щеше да накара Вселената да рухне рано. Освен това те биха повлияли на космическото фоново излъчване - тогава спектърът му ще трябва да изглежда напълно различен от измерения. Проблемът може да бъде разрешен само ако самото неутрино от 17 keV може да се разпадне в други частици.

Има възможности за това в рамките на Стандартния модел, но продължителността на живота на неутрино Тау в Стандартния модел е с порядъци по-голяма от възрастта на Вселената, така че разпадането ще бъде твърде бавно, за да предотврати срутването на Вселената веднага след Големия взрив.

Следователно стандартният модел трябва да бъде разширен, неутриното от 17 keV определено съдържа нова физика. Ако това е тау неутрино, тогава са необходими нови възможности за разпад. Ако не е тау неутрино, тогава какво е това?

Спекулации

Foot and King направиха модел, при който неутрино от 17 keV всъщност е (по същество) тау неутрино. За да бъде в съответствие с наблюденията, трябваше да бъдат въведени още няколко частици, всички те бяха много тежки (над 200 GeV) и следователно не бяха наблюдавани експериментално. Моделът се занимава и с друг проблем едновременно: Той доказва, че електрическият заряд трябва да бъде квантуван.

Шоуто на Нобеловия лауреат имаше подобен модел, при който имаше шест неутрино състояния, които бяха смесени по сложен начин. Неутриното от 17 keV може да се разпадне в така наречените майорони, които са незаредени и почти ненаблюдаеми теоретични частици. Подобни модели бяха създадени в по-голям брой през следващия период; всички те се различават леко по това как точно се смесват различните неутрино състояния.

Някои от тези модели едновременно решават проблема със слънчевите неутрино - неутрините са били смесени по такъв начин, че да трептят по пътя от слънцето към земята и следователно не всички се виждат тук.

Joshipura създаде хубав модел, в който 17 keV неутрино очевидно не реши проблема със слънчевите неутрино (за съжаление имам достъп само до абстрактното, така че не съм съвсем сигурен дали го прави), но поне за отговорна е известната тъмна материя.

Папагеоргиу и Ранфоне изследваха различни възможности. В една от тях неутриното от 17 keV се разпада в друга хипотетична частица - аксиона. Друга публикация търсеше дали 17 keV неутрино не може да бъде настанено в така наречените GUT теории (Grand Unified Theories), които комбинират електрослабието и силната сила и вече е известно, че постулират чувал с нови частици . Отговорът беше: Работи, но трябваше да включите много допълнителни предположения, така че всичко да е в съответствие с измерванията.

Съвсем друга идея включва други хипотетични частици, така наречените „лептокварки“. Лептокварките могат да конвертират лептони (включително неутрино) в квари и обратно. Те се появяват в някои модели на GUT и очевидно могат да се използват и за съгласуване на 17 keV неутрино с измерванията.

В няколко модела неутрино от 17 keV е смес от електронно неутрино и нова частица, „стерилно“ неутрино. Нарича се стерилен, защото изобщо не взаимодейства с материята. (Освен поради своята маса.) В статия, Choudhury въвежда няколко нови лептонни състояния, които в крайна сметка водят до 17 keV неутрино, което се разпада достатъчно бързо, за да се избегнат проблеми с експериментите.

Може би общата теория на относителността също играе някакъв проблем? Във всеки случай открих и два документа, в които са включени ефектите на Планк (т.е. ефекти върху скалата на дължината, където са важни квантовите ефекти на гравитацията). Гравитационните ефекти върху скалата на Планк трябва да бъдат отговорни за масите на неутрино. Това води до много малки неутринни маси (значително по-малки от 1 eV). За да може неутриното от 17 keV също да бъде настанено, трябва да се въведе допълнителна частица отново; тогава 17-keV неутрино е смесено състояние на електронното неутрино и новата частица, което дори не взаимодейства с материята.

Като цяло можете да видите, че има доста опити за побиране на 17 keV неутрино. Проблеми като възможния колапс на Вселената или неутрино на свръхновата бяха решени чрез адаптиране на новата физика, която беше разработена по съответния начин. За да бъдем честни, трябва също да се каже, че има и негативни публикации, показващи, че определени модели определено няма да работят.

Wietfeldt и Norman стигат до следното заключение в своя преглед.

В знак на почит към теоретичната изобретателност е, че въпреки тежките ограничения бяха разработени редица жизнеспособни, макар и донякъде измислени модели за неутрино от 17 keV.
Трябва да се признае теоретичната проницателност, че въпреки трудните гранични условия са разработени редица полезни, макар и донякъде изкуствени модели за 17-keV неутрино.

Неутриното от 17 keV и аз
17-кеВ неутрино изживя своя „разцвет“, когато пишех дипломната си работа и след това докторската си дисертация по теоретична физика в DESY в Хамбург.

По това време статиите (преди да бъдат публикувани в списания) не се разпространяват предварително на физическата общност като така наречените предпечатки чрез интернет сървъри, а се изпращат по целия свят на хартиен носител. Всеки понеделник след обяд отивахте в библиотеката и проверявахте новите предпечатки, за да видите дали има нещо интересно.

Така че за първи път чух за неутрино от 17 keV. След като започнах да обръщам внимание на това, забелязах, че поне на всеки няколко седмици има нов теоретичен препринт за неутрино от 17 keV и как той се вписва във физиката. Струваше ми се, че всеки теоретик би могъл да включи новата частица в собствената си любима теория по такъв начин, че да се получи „напълно естествено“ - „естествено“ всъщност е дума, която човек често среща тук в теоретичните трудове. Ако погледна отново моя кратък преглед по-горе, тогава това впечатление вероятно не е било напълно погрешно.

Когато частицата не съществуваше (не помня кога точно разбрах, но мисля, че беше едва 1995 г. - не четох експериментални предпечатки толкова често, колкото теоретичните), това ме накара да се замислям много. Наистина ли е възможно да се вмъкне напълно произволна частица във физиката и нито един от сегашните модели за разширена физика (GUTs, суперсиметрии и каквото и да е там) не се опровергава от тази частица? И ако случаят е такъв, теоретичната физика все още е истинска наука?

Тези въпроси, които в днешно време се задават по подобен начин за теорията на струните, ме притесняваха по това време - изобщо фалшифицирани ли са моделите на теоретичната физика? Имаше много причини, поради които през 1996 г. реших да се занимавам с нещо друго, вместо с теоретична физика, но една от тях беше неутрино 17 keV.

След като прочетох и помислих за много от публикациите от последните няколко дни, не съм сигурен дали тогава не бях твърде песимистичен. За да бъда честен, Стандартният модел вече е пълен с произволни числа и предположения. (Но във връзка с всичко, което обяснява, това все още е невероятно добра теория). Включването на 17 keV неутрино по един или друг начин добавя още няколко към тези предположения. В това отношение моята критика към стандартния модел и възможните му разширения може би беше преувеличена.

Също така беше по-трудно да се включи 17 keV неутрино в теорията по такъв начин, че данните от експлозията на свръхнова 1987A и моделите от Големия взрив също останаха верни. За тази цел свойствата на 17 keV неутрино по отношение на експлоатационния живот и т.н. трябваше да бъдат строго ограничени. Със сигурност трябва да се отдаде признание на теоретиците за това, че те активно се опитват да намерят такива ограничения и да ги вземат предвид в своите модели. Изглежда, че са успели да намерят някои модели, които съответстват на всички наблюдения. Струва ми се съмнително дали всички тези модели действително биха могли да оцелеят, ако бяха разгледани допълнително. Може би много от тях биха показали при по-нататъшно разследване, че съдържат нерешени проблеми.

В крайна сметка вероятно е подобно на заключението на експерименталната работа: Отделните теоретици може би са били твърде оптимистични относно съвместимостта на новата частица с тяхната лична любима теория. Както при експерименталните физици, разбира се, има много слава, която можете да пожънете, ако можете да бъдете първият, който интегрира частица в модел. Някои от публикациите може да не са издържали на бъдещия контрол. Ако неутриното от 17 keV не беше опровергано през 1993 г., тези публикации щяха да бъдат анализирани допълнително, щяха да бъдат открити несъответствия и в крайна сметка само малка част от моделите щяха да оцелеят.

Тук също става ясно, че науката в крайна сметка работи само във взаимодействието между индивидите. Някои учени може да са прекалено ентусиазирани и от време на време да игнорират проблеми или несъответствия - но други ще изследват теориите, за да ги усъвършенстват или развият и в процеса да разкрият тези проблеми. Както видяхме, този механизъм работеше много добре в експериментите с 17 keV неутрино и в теориите вероятно щеше да работи, ако частицата беше оцеляла.

Ето няколко от публикациите - ако някой иска да има целия списък или да бъде осеян с pdfs, просто изпратете имейл ...

Елена Папагеоргиу и Стефано Ранфоне
Пъзелът за йерархия на масата и неутрино от 17 keV в контекста на универсален модел на ножица

Елена Папагеоргиу, Стефано Ранфоне,
Маси на неутрино в обърнатия SU (5) x U (1) и SU (4) x O (4) GUT модел

Subhash Rajpoot
Модел за неутрино от 17 keV на Симпсън

Р. Фут, С. Ф. Кинг
Квантуване на електрически заряд с 17 keV неутрино,

L. Bento, J. W. F. Valle
Най-простият модел за 17 keV неутрино и MSW ефект

Мириам Лорер
На несмесеното 17 keV неутрино

Евгени Х. Ахмедов, Зураб Г. Бережиани, Горан Сенянович, Жижиян Тао
Ефекти от скалата на Планк във физиката на неутрино

Debajyoti Choudhury
Дискретна симетрия, Neutrino Magnetic Moment и 17 keV Neutrino

Debajyoti Choudhury, Utpal Sarkar,
Нов механизъм за генериране на 17 keV неутрино

Сидни А. Блъдман,. К. Кенеди и П. Г. Лангакер
Прогнози на модела на Кей за масата на τ-неутрино