Как физики ищут выходы за пределы Стандартной модели

В природе нейтрино распространены столь же широко, как и фотоны — кванты электромагнитного поля. Нейтрино образуются в недрах Солнца (солнечные нейтрино) и других звезд при ядерных реакциях и в результате распадов пионов и каонов в верхних слоях атмосферы Земли под влиянием космического излучения (атмосферные нейтрино).

Обнаружение нейтрино по трекам в пузырьковой камере (1970 год)
Фото: Argonne National Laboratory

Однако, нейтрино чрезвычайно мало взаимодействует с веществом, что делает труднодоступным возможность его наблюдения: длина свободного пробега в воде такой частицы может достигать порядка ста световых лет. Для того чтобы зафиксировать нейтрино, необходимы сверхчувствительные экспериментальные установки, отсекающие другие фоновые процессы, которые могут мешать регистрации нейтрино.

Законы сохранения

Лептонные и барионные числа, в отличие от, например, электрического заряда, не являются источниками дальнодействующего калибровочного поля (в случае электрического заряда — электромагнитного поля). В этом смысле законы сохранения для них не являются такими «фундаментальными», как, скажем, закон сохранения электрического заряда или закон сохранения энергии и импульса. В настоящее время ученые проводят эксперименты по обнаружению майорановских нейтрино, целью которых является проверка различных гипотез и ограничений на расширения Стандартной модели, в том числе суперсимметричные и с дополнительными пространственными измерениями.

В рамках эксперимента ученые искали следы безнейтринного двойного бета-распада изотопа ксенона Xe-136. В результате такого процесса электрический заряд ядра ксенона увеличился бы на две единицы и произошло бы испускание двух бета-частиц — двух электронов.

Специалисты из EXO-200 представили данные за последние два года исследований, согласно которым физикам не удалось наблюдать следы такого процесса. Вместе с этим ученые оценили нижний предел для периода безнейтринного полураспада Xe-136 в 10²⁵ лет — это в миллион миллиардов раз больше времени существования Вселенной. Масса нейтрино по-прежнему оценивается десятыми долями электронвольт.

Физики искали следы майорановских нейтрино в лаборатории, расположенной в Нью-Мексико в США на глубине 650 метров под землей, что позволило уменьшить влияние фонового космического излучения и естественной радиации Земли. В эксперименте EXO-200 ученые использовали жидкий ксенон, который был обогащен до 80,6 процента изотопа Xe-136.

Двойной бета-распад — разновидность радиоактивного распада, при котором зарядовое число ядра увеличивается на две единицы. В результате масса ядра практически не меняется, а дополнительно образуются два электрона и два электронных антинейтрино. В отличие от обычного бета-распада, двойной бета-распад является самым редким из радиоактивных распадов: для всех 11 нуклидов, у которых наблюдался такой процесс, период полураспада более чем 7×10¹⁸ лет.

Сегодня существует много установок, пытающихся обнаружить нейтрино и связанные с ними осцилляции и безнейтринные ядерные реакции. Например, в России на озере Байкал с 1993 года на глубине более километра функционирует нейтринный телескоп НТ200, который предназначен для поиска нейтрино высоких энергий и некоторых гипотетических объектов, таких, как, например, магнитные монополи.

Частица

Существование нейтрино предсказал в 1933 году Вольфган Паули; это позволило ученому добиться выполнения закона сохранения энергии в реакции бета-распада. Данная ситуация является общей в физике элементарных частиц: если в каком-то процессе нарушается какой-то из законов сохранения, то, скорее всего, не была учтена некоторая частица, и ученые пытаются ее обнаружить. Впервые электронные нейтрино были обнаружены в 1956 году командой Фредерика Райнеса, который в 1995 году за свое открытие был удостоен Нобелевской премии.

Нейтрино — элементарные частицы, участвующие в короткодействующих слабых (и, вероятно, в гравитационном) взаимодействиях, и образующие, вместе с электроном, мюоном и таоном, три поколения лептонов. Квантами слабого взаимодействия являются калибровочные заряженные W^± и нейтральный Z⁰ бозоны; время жизни заряженных лептонов, кроме электрона, чрезвычайно мало, например, для мюона оно составляет 2,19703(4)x10^-6 cекунд.

Элементарные частицы и типы взаимодействий
Изображение: Headbomb/ wikipedia.org

В Стандартной модели каждое поколение лептонов состоит из двух частиц (или четырех, если считать античастицы): заряженного массивного лептона (электрон, мюон и таон) и соответствующих нейтрино (электронного, мюонного и тау-нейтрино). Соответственно трем типам нейтрино Стандартной модели отвечают три закона сохранения квантовых чисел (флейворных лептонных чисел): электронного, мюонного и таонного, а сумма одних и тех же квантовых чисел частиц до и после реакции должна быть неизменной.

Тау-нейтрино была предпоследней открытой частицей (последняя — бозон Хиггса), существование которой предсказала Стандартной моделью. Частица была обнаружена в 2000 году коллаборацией DONUT (Direct Observation of the Nu Tau — Прямое наблюдение тау-нейтрино).

В безнейтринном двойном бета-распаде, попытки наблюдения которого предпринимались учеными в эксперименте EXO-200, не образуются нейтрино (или антинейтрино). Для этого необходимо, чтобы нейтрино были майорановскими частицами (то есть частицами, античастицы которых совпадают с частицами), и имели отличную от нуля массу. В Стандартной модели безнейтринный двойной бета-распад нарушает закон сохранения (общего) лептонного числа. Так, если в двойном бета-распаде образуются по две частицы и античастицы (например, два электрона (лептонный заряд равен +2) и два электронных антинейтрино (лептонный заряд равен -2)) и закон сохранения лептонного числа сохраняется (0=+2-2), то в безнейтринном двойном бета-распаде могут образоваться только, например, два электрона, и закон сохранения лептонного числа оказывается нарушенным (0≠+2).

В первоначальной версии Стандартной модели нейтрино были безмассовыми, однако, данные по нейтринным осцилляциям, полученным в серии экспериментов с солнечными, атмосферными и реакторными нейтрино, говорят в пользу того, что нейтрино имеют массу, и могут превращаться друг в друга (осциллировать). Поэтому в настоящее время имеет смысл говорить о законе сохранения общего лептонного числа.

Впервые идею о нейтринных осцилляциях выдвинул в 1957 году советско-итальянский физик Бруно Понтекорво. В 2010 году коллаборация OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) сообщила о обнаружении свидетельств того, что мюонные нейтрино превращаются в тау-нейтрино.

Теоретически нейтринные осцилляции включаются в Стандартную модель матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, элементы которой содержат так называемые углы смешивания, среди которых есть и такие, которые могут сделать нейтрино майорановскими частицами.

В веществе осцилляции нейтрино обусловлены эффектом Михеева-Смирнова-Вольфенштейна, который предложили в 1976 году американец Линкольн Вольфенштайн и в 1986 году советские физики Станислав Михеев и Алексей Смирнов. Явление заключается в том, что при движении нейтрино в веществе окружающие его лептоны индуцируют появление у частицы так называемой эффективной массы, которая зависит от типа нейтрино и плотности лептонов в среде. Если массы нейтрино равны нулю или совпадают, то такого процесса быть не должно.

Темная материя

Если в Стандартную модель ввести майорановские нейтрино, то оказывается возможным существенно продвинуться в объяснении сразу трех вопросов современной космологии: нейтринных осцилляций, проблемы темной материи и наблюдаемой асимметрии вещества и антивещества.

Состав Вселенной: на темную материю приходится более 20 процентов вещества
Изображение: admtool/ wikipedia.org

Из небаринной темной материи (скрытой массы), по данным WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe), состоит более пятой части Вселенной. С ней связаны космологическая постоянная (или лямбда-член в уравнении Эйнштейна) и наблюдаемое распределение барионного вещества во Вселенной.

Эта субстанция никак не проявляет себя в электромагнитных взаимодействиях: современные астрономические спектрометры ее не видят. Однако, данные о движении галактик и других космических объектов свидетельствуют о наличии во Вселенной массивных образований: темная материя, по-видимому, из известных фундаментальных взаимодействий (сильном, слабом, электромагнитном и гравитационном) участвует только в гравитационном.

Нейтрино, по-мнению многих ученых, является подходящим кандидатом на роль частиц горячей темной материи — таких частиц скрытой массы, которые движутся с околосветовыми скоростями. На роль же частиц холодной темной материи (движущихся намного медленнее нейтрино) предлагается целый зоопарк экзотических частиц, в том числе ряд частиц-суперпартнеров известных частиц Стандартной модели.

Образование нейтрино согласно стандартной модели Солнца
Изображение: Dorottya Szam/ wikipedia.org

Нейтрино, подобно темной материи, участвует в дальнодействующем гравитационном взаимодействии и слабо взаимодействуют с веществом; кроме того, нейтрино является экспериментально открытой частицей — все это делает лептон идеальным кандидатом на роль частицы темной материи. Нейтрино так же много в космосе, как и фотонов, но, отличие от последних, первые, скорее всего, имеют ненулевую массу, которой может оказаться достаточно для того, чтобы объяснить природу темной материи.

Кроме легких нейтрино, ученые предполагают существование четвертого типа нейтрино — тяжелых (стерильных) нейтрино, с массами до десятков гигаэлектронвольт. Такие частицы, предположительно, не участвуют в слабом взаимодействии.

Некоторые ученые выдвигают стерильные нейтрино в качестве кандидатов на роль частиц теплой темной материи, занимающей промежуточное положение между холодной и горячей материями.

Суперсимметричная Стандартная модель

Массивные нейтрино, как и их суперпартнеры — снейтрино, входят в состав многих расширений Стандартной модели, прежде всего, суперсимметричных. В суперсимметрии число частиц удваивается за счет того, что каждой известной частице ставится в соответствие ее частица-парнер. Например, для фотона — фотино, кварка — скварк, хиггса — хиггсино и так далее. Суперпартнеры должны иметь значение спина, на полуцелое число отличающееся от значения спина у исходной частицы — это означает, что у суперпартнеров другая квантовая статистика (частица-бозон имеет суперпартнером фермион и наоборот).

Математически частица и суперчастица объединяются в одну систему (супермультиплет); все квантовые параметры и массы частиц и их партнеров в точной суперсимметрии совпадают. Считается, что в природе суперсимметрия нарушена, что привело к тому, что массы суперпартнеров значительно превышают массы их частиц.

В простейшем суперсимметричном расширении Стандартной модели — Минимальной суперсимметричной Стандартной модели (МССМ), вместо одного нейтрального бозона Хиггса Стандартной модели появляются пять состояний бозонов Хиггса: два заряженных и три нейтральных бозона. Сектор суперсимметричных частиц гейджино, который включает в себя беззарядовые снейтрино, зино (суперпартнер Z⁰-бозона) и хиггсино, вместе с нейтрино позволяет значительно расширить возможности для поиска кандидатов на роль частиц темной материи.

Кроме этого, модель МССМ могла промочь продвинуться в разрешении ряда принципиальных трудностей физики элементарных частиц, например, в проблеме иерархии масс и барионной асимметрии Вселенной. В первом случае ученых интересует ответ на вопрос о большом разбросе значений масс у фермионов, а во втором ученые пытаются получить ответы на вопрос о причине, почему в природе на одну античастицу приходится около десяти миллиардов частиц.

В настоящее время на основе МССМ построено множество вариантов суперсимметричных обобщений Стандартной модели. Основным недостатком такого подхода является резкое увеличение числа параметров теории: вместо примерно 20 свободных параметров в Стандартной модели (значений фундаментальных констант), в МССМ имеется около ста таких параметров, значения которых остаются неясными (если такие параметры вообще имеют место в природе).

Поэтому физики исследуют специальные сценарии, в которые заключены специальные пространства значений параметров (массы частиц и значения улов смешивания в матрицах типа матрицы смешивания кварков Каббибо-Кобаяши-Маскавы и матрицы смешивания нейтрино Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты), позволяющие провести эксперименты для обнаружения следов суперсимметричных частиц. В ходе последних экспериментов на Большом адронном коллайдере для МССМ были получены достаточно сильные ограничения на параметры теории, однако для моделей на ее основе еще существуют большие возможности.

Суперсимметричная Стандартная модель, как и исходная теория, является примером низкоэнергетической феноменологии. Это один из немногих способов проверить идею суперсимметрии, используя энергии порядка 10⁴ гигаэлектронвольт, доступные на коллайдере в ЦЕРНе. Теория струн, или M-теория, описывает физику на планковских масштабах энергий для масс частиц порядка 10¹⁹ гигаэлектронвольт, и недоступна для прямого тестирования на современных ускорителях.