Častica, ktorá neexistovala Epizóda III Návrat fyziky; Žijú tu draci
Na začiatku 90. rokov 20. storočia existovali experimentálne dôkazy o novej častici, 17 keV neutríne. V tejto tretej časti príbehu chcem objasniť reakciu teoretických fyzikov na túto možnosť, príbeh, ku ktorému mám veľmi osobný vzťah.
Keď som minulý víkend začal písať tento príbeh, teoreticky som sa len prehrabal, ale ešte som ho nevidel. Keby som vedel, do čoho idem, mohol by som tento príbeh lepšie ukončiť po Epizóde II - moje posledné vážne zamestnanie teoretickou fyzikou elementárnych častíc bolo pred chvíľou a veci ako majoróny, mechanizmy videnia, mechanizmy MSW, Leptoquarks, Zeldovich-Konopinski-Mahmoud-Lepton-poplatkovia mi poriadne rozozvučali hlavu.
Ale nebojte sa - nebudem zachádzať príliš do podrobností, len sa snažte ukázať, ako sa teoretici vysporiadali s novou časticou. Ak to pre vás bude príliš technické, jednoducho skočte priamo dole do poslednej časti, tam vám poviem, prečo ma zaujíma 17 keV neutrino, a pokúsim sa vyvodiť všeobecné závery, ako som to urobil na konci epizódy II.
Čo by to mohlo byť 17 keV neutríno?
To, čo nemohlo byť, bolo relatívne jasné: štvrtá neutrínová príchuť okrem elektrónov, miónov a tauónov. (Niekedy píšem Tau-Neutrino, niekedy Tauon-Neutrino. Oba sú rovnaké.) Pokusy v CERN-e to rozhodne vylúčili, pretože toto neutríno malo byť viditeľné, keď sa bozón Z rozpadol. Z rozpadu bozónu Z sa dá odvodiť, že môžu existovať iba tri neutrínové príchute. (Štvrtina by bola mysliteľná, iba keby neutrino malo hmotu, ktorá bola v rovnakom rozsahu ako hmotnosť bozónu Z a bola by oveľa ťažšia ako bozón Z, ale to by nezodpovedalo hodnote 17 keV, pretože bozón Z je asi 5 miliónovkrát ťažšie.)
Môže byť 17 keV neutríno iba tau neutrínom? Za týmto účelom by elektrónové neutríno malo byť schopné stať sa tau neutrínom.
Skupiny zmiešaných častíc
Počas β-rozpadu by malo vzniknúť 17-keV neutríno (ktoré sa kvôli zjednodušeniu teraz tvári, že existuje, inak bude jeho text absolútne nečitateľný z dôvodu veľkého počtu spojiviek). Pri β-rozpade sa neutrón normálne rozpadá na protón, elektrón a elektrónové neutríno, ale asi v 1% prípadov (podľa údajov z roku 1992) by sa malo namiesto elektrónového neutrína vytvoriť neutrín 17 keV.
Jednou z možností, ako by to mohlo fungovať, by bolo najskôr vytvoriť elektrónové neutríno, ktoré sa potom premení na 17 keV neutrína. Takéto premeny častíc nie sú vo fyzike nič nové - v 50. a 60. rokoch neutrálny K mezón (kaon) fyzikov bolel, pretože sa zjavne mohol spontánne zmeniť na svoju vlastnú antičasticu. Táto premena je kvantovo mechanický jav.
V prípade neutrína si to možno predstaviť takto: elektrónové neutríno je častica, ktorá patrí do emisie elektrónu. Pretože rozdiel medzi elektrónom, miónom a tauónom sa tiež označuje ako „príchuť“, patrí elektrónové neutríno k elektrónovej príchuti - fyzici tvrdia, že ide o vlastný kvantovo mechanický stav. Ak sa spontánne transformuje na ďalšie neutríno (neutríno 17 keV), potom zmení svoje vlastnosti v procese, takže nie je stabilný. Z vzťahu neistoty z toho možno odvodiť, že hmotnosť elektrónového neutrína nie je stála. Vlastné stavy hmoty preto nie sú súčasne vlastnými stavmi arómy.
Toto je starý dobrý vzťah neistoty z kvantovej mechaniky v trochu inej podobe: Ak zmeriam „príchuť“ neutrína (a urobím to nepriamo s β-rozpadom, pretože pozorujem elektrón), potom jeho hmotnosť nie je pevná. Ak zmeriam jeho hmotnosť (alebo energiu), potom opäť nie je jasne definovaná príchuť. Elektrónové neutríno na tomto obrázku by bolo zmesou ľahkého neutrína (ktoré nie je vlastným príchuťou) a neutrina 17 keV. Neutríno voľne sa vznášajúce sa v energetickom vlastnom štáte preto mení svoju príchuť.
(Mimochodom, tento mechanizmus v skutočnosti existuje - ako dnes vieme, elektrónové neutrína sa môžu premeniť na miónové alebo tauónové neutrína.)
Dalo by sa teda predstaviť, že elektrónové neutríno by sa transformovalo na tau neutríno v 1% prípadov, kým je stále v detektore. To by bolo jednoduché a elegantné riešenie problému. Bohužiaľ to nie je ľahké. Aby sme to pochopili, pozrime sa na úroveň vtedajších vedomostí.
Neutrínový výskum na začiatku 90. rokov
Okrem neutrína 17 keV mal výskum neutrín na začiatku 90. rokov ešte jeden otvorený problém: merania solárnych neutrín ukázali, že počet neutrín je príliš nízky. Pretože detektory na Zemi mohli merať iba elektrónové neutrína, jedným zo spôsobov, ako to vysvetliť, bolo to, že elektrónové neutrína sa transformovali na ceste zo slnka k nám zmiešavacím mechanizmom, ako som práve vysvetlil.
Tiež sa ešte nevedelo, či neutrína majú hmotnosť. Tieto dva problémy spolu súvisia - nehmotné neutrína sa nemôžu navzájom transformovať. To sa dá jasne vysvetliť: Bezhmotné neutrína lietajú rýchlosťou svetla. Podľa teórie relativity nie je čas na to, aby prešli počas letu, takže sa nemôžu transformovať. (Tento argument samozrejme nie je teoreticky úplne čistý, ale tu to nemá význam.)
Zaujímavé bolo aj pozorovanie supernovy 1987A. Pritom bolo na Zemi detekovaných 24 neutrín - to neznie príliš veľa, ale ak si spočítate, ako ďaleko bola zem od supernovy a aká malá je pravdepodobnosť, že sa v detektore skutočne bude merať neutríno, zistíte, že supernova skutočne stráca väčšinu svojej energie vo forme neutrín.
Problémy so 17 keV neutrínom
Môže byť 17 keV neutríno iba tau neutrínom? Presnejšie povedané, 17 keV neutríno mohlo byť hromadným stavom, ktorý v podstate zodpovedá tau príchuti, s malou prímesou elektrónovej príchute, pretože tau a elektrónové neutrína sa musia navzájom transformovať?
Z údajov výbuchu supernovy sa dalo odvodiť, ako rýchlo supernova vyžarovala energiu. Ak by sa elektrónové neutríno zmenilo na tau neutríno s pravdepodobnosťou 1% v rozpade β, potom by sa v supernove vytvorilo pomerne veľa tau neutrín. Porovnanie s údajmi ukázalo, že sa z neho dá odvodiť horná hranica hmotnosti tau neutrína - bola to 30 keV, čo bolo takmer kompatibilné s údajmi.
Pri uvažovaní o Veľkom tresku nastal ďalší problém: Keby sa tam s vysokou frekvenciou vytvorilo 17 keV neutrín, potom by ich hmotnosť spôsobila skoré zrútenie vesmíru. Okrem toho by ovplyvnili žiarenie kozmického pozadia - jeho spektrum by potom muselo vyzerať úplne inak ako merané spektrum. Problém je možné vyriešiť, iba ak sa 17 keV neutríno samo môže rozpadnúť na iné častice.
V štandardnom modeli existujú možnosti, ale životnosť Tau neutrína v štandardnom modeli je rádovo vyššia ako vek vesmíru, takže rozpad by bol príliš pomalý, aby zabránil zrúteniu vesmíru bezprostredne po Veľkom tresku.
Štandardný model sa preto musí rozšíriť, 17 keV neutrino určite obsahuje novú fyziku. Ak je to tau neutríno, sú potrebné nové možnosti rozpadu. Ak to nie je tau neutríno, tak čo to je?
Špekulácie
Foot and King vyrobili model, v ktorom je 17 keV neutríno v skutočnosti (v podstate) tau neutríno. Aby to bolo v súlade s pozorovaniami, bolo treba zaviesť niekoľko ďalších častíc, všetky boli veľmi ťažké (nad 200 GeV), a preto neboli experimentálne pozorované. Model sa zaoberal aj ďalším problémom: Dokázal, že elektrický náboj je potrebné vyčísliť.
Podobný model mala aj prehliadka laureátov Nobelovej ceny, v ktorej sa nachádzalo šesť neutrínových štátov, ktoré boli komplikovane zmiešané. Neutríno 17 keV sa mohlo rozpadnúť na takzvané majoróny, ktoré sú nenabité a takmer nepozorovateľné teoretické častice. Podobné modely boli zriadené vo väčších počtoch v nasledujúcich rokoch, všetky sa mierne líšia v tom, ako presne sú rôzne neutrínové štáty zmiešané.
Niektoré z týchto modelov súčasne vyriešili problém solárnych neutrín - neutrína boli zmiešané takým spôsobom, že oscilovali na ceste zo slnka na zem, a preto ich tu všetci nevidíme.
Joshipura zostrojil pekný model, v ktorom 17 keV neutrino zjavne nevyriešilo problém solárnych neutrín (bohužiaľ mám prístup iba k abstraktu, takže si nie som celkom istý, či áno), ale aspoň pre za to môže slávna temná hmota.
Papageorgiu a Ranfone skúmali rôzne možnosti. V jednom z nich sa neutrino 17 keV rozpadá na ďalšiu hypotetickú časticu, na os. Ďalšia publikácia sledovala, či 17 keV neutrína nemôže byť prispôsobené takzvaným teóriám GUT (Grand Unified Theories), ktoré kombinujú slabý prúd a silnú silu a už je známe, že postulujú vrece nových častíc. . Odpoveď bola: Funguje to, ale bolo treba zakomponovať množstvo ďalších predpokladov, aby bolo všetko v súlade s meraniami.
Úplne iná myšlienka zahŕňa ďalšie hypotetické častice, takzvané „leptokarky“. Leptokarky môžu prevádzať leptóny (vrátane neutrín) na štvrtiny a naopak. Vyskytujú sa v niektorých modeloch GUT a je možné ich zjavne použiť aj na získanie 17 keV neutrína pod jednu strechu pomocou meraní.
V niekoľkých modeloch je 17 keV neutríno zmesou elektrónového neutrína a novej častice, „sterilného“ neutrína. Nazýva sa sterilný, pretože vôbec neinteraguje s hmotou. (Okrem svojej hmotnosti.) V článku Choudhury predstavuje niekoľko nových leptónskych stavov, ktoré nakoniec vedú k 17-keV neutrínu, ktoré sa rozpadá dostatočne rýchlo, aby sa predišlo problémom s experimentmi.
Možno, že do problému nejako hrá aj všeobecná teória relativity? V každom prípade som tiež našiel dva články, v ktorých boli zapojené Planckove efekty (t.j. efekty na dĺžkovej škále, kde sú dôležité kvantové účinky gravitácie). Gravitačné účinky na Planckovu stupnicu by mali byť zodpovedné za neutrínové hmoty. To má za následok veľmi malé hmotnosti neutrín (výrazne menšie ako 1 eV). Aby bolo možné umiestniť aj 17 keV neutríno, musí sa znovu zaviesť ďalšia častica; 17-keV neutríno je potom zmiešaný stav elektrónového neutrína a novej častice, ktorý ani len nereaguje s hmotou.
Celkovo vidno, že bolo vykonaných niekoľko pokusov o umiestnenie 17 keV neutrína. Problémy ako možný rozpad vesmíru alebo neutrína supernovy sa vyriešili prispôsobením novej vyvinutej fyziky. Aby sme boli spravodliví, je tiež potrebné povedať, že existujú aj negatívne publikácie, ktoré ukazujú, že určité modely by určite nefungovali.
Wietfeldt a Norman vo svojej recenzii dospeli k nasledujúcemu záveru.
Je poctou teoretickej vynaliezavosti, že napriek veľkým obmedzeniam bolo vyvinutých niekoľko životaschopných, aj keď trochu vymyslených, modelov pre 17 keV neutrino.
Teoretickej dôvtipu treba pripísať, že napriek zložitým okrajovým podmienkam bolo pre neutrino 17 keV vyvinuté množstvo užitočných, aj keď trochu umelých, modelov.
17 keV neutrína a ja
17-keV neutríno zažilo svoj „rozkvet“, keď som písal diplomovú prácu a potom svoju doktorandskú prácu z teoretickej fyziky na DESY v Hamburgu.
V tom čase ešte neboli články (predtým, ako boli publikované v časopisoch) distribuované do fyziky vopred ako takzvané predtlače cez internetové servery, ale boli zasielané po celom svete v papierovej podobe. Každý pondelok po obede ste išli do knižnice a skontrolovali nové predtlače, či nie je niečo zaujímavé.
Takže som prvýkrát počul o 17 keV neutríne. Keď som tomu začal venovať pozornosť, všimol som si, že minimálne každých pár týždňov sa objavil nový teoretický predtlač pre 17 keV neutríno a ako to zapadalo do fyziky. Zdalo sa mi, že každý teoretik dokáže novú časticu začleniť do svojej osobnej obľúbenej teórie tak, že jej výsledkom je „úplne prirodzený“ - „prírodný“ je vlastne slovo, s ktorým sa tu v teoretických prácach často stretávame. Ak sa znova pozriem na môj stručný prehľad vyššie, potom tento dojem pravdepodobne nebol úplne zlý.
Keď častica neexistovala (nepamätám si presne, kedy som sa to dozvedel, ale myslím si, že to bol iba rok 1995 - experimentálne predtlačky som nečítal tak často ako teoretické), čo ma veľmi zamyslelo. Je skutočne možné vložiť do fyziky úplne ľubovoľnú časticu a žiadny zo súčasných modelov rozšírenej fyziky (GUT, supersymetria a všetko, čo tam je) táto častica nevyvracia? A ak je to tak, teoretická fyzika je stále vôbec skutočnou vedou?
Tieto otázky, ktoré sú v dnešnej dobe rovnako populárne v oblasti teórie strún, ma vtedy znepokojovali - sú modely teoretickej fyziky dokonca falšovateľné? Bolo veľa dôvodov, prečo som sa v roku 1996 rozhodol namiesto teoretickej fyziky robiť niečo iné, ale jedným z nich bolo 17 keV neutrino.
Po prečítaní a premyslení mnohých publikácií z posledných dní si nie som istý, či som vtedy nebol príliš pesimistický. Úprimne povedané, štandardný model je už plný ľubovoľných čísel a predpokladov. (Napriek tomu je to vo vzťahu k všetkému, čo vysvetľuje, stále neuveriteľne dobrá teória). Inkorporácia 17 keV neutrína tak či onak zvyšuje tieto predpoklady. V tomto ohľade bola moja kritika štandardného modelu a jeho možných rozšírení možno prehnaná.
Bolo tiež ťažšie začleniť 17 keV neutrína do teórie takým spôsobom, že údaje z výbuchu supernovy 1987A a modely z Veľkého tresku tiež zostali správne. Z tohto dôvodu bolo potrebné prísne obmedziť vlastnosti 17 keV neutrína z hľadiska životnosti atď. Určite treba teoretikom pripísať kredit za to, že sa aktívne snažia nájsť takéto obmedzenia a zohľadniť ich vo svojich modeloch. Vyzerá to, že sa im podarilo nájsť niektoré modely, ktoré boli v súlade so všetkými pozorovaniami. Zdá sa mi otázne, či by všetky tieto modely mohli skutočne prežiť, keby sa ďalej skúmali. Možno by ďalší výskum ukázal, že mnohé z nich obsahujú nevyriešené problémy.
Nakoniec je to pravdepodobne podobný záver v experimentálnej práci: Jednotliví teoretici mohli byť príliš optimistickí, pokiaľ ide o kompatibilitu novej častice s ich obľúbenou teóriou. Rovnako ako u experimentálnych fyzikov, aj tu je samozrejme veľa slávy, ak môžete byť prví, ktorí integrujú časticu do modelu. Niektoré publikácie možno nevydržali ďalšie preskúmanie. Keby nebolo 17 keV neutrína vyvrátené v roku 1993, boli by tieto publikácie ďalej analyzované, boli by zistené nezrovnalosti a nakoniec by prežil iba zlomok modelov.
Aj tu je zrejmé, že veda nakoniec funguje iba v súhre medzi jednotlivcami. Niektorí vedci môžu byť príliš nadšení a občas ignorujú problémy alebo nezrovnalosti - iní však budú skúmať teórie, aby ich vylepšili alebo rozvinuli, a v priebehu toho tieto problémy odhalia. Ako sme videli, tento mechanizmus fungoval veľmi dobre pri experimentoch na 17 keV neutríne a v teóriách by pravdepodobne fungoval, keby častica prežila.
Tu je niekoľko publikácií - ak niekto chce mať celý zoznam alebo chce byť posiaty súbormi PDF, stačí poslať e-mail ...
Elena Papageorgiu a Stefano Ranfone
Hlavolam hromadnej hierarchie a neutríno 17 keV v kontexte modelu Universal Seesaw
Elena Papageorgiu, Stefano Ranfone,
Neutrínové hmoty v preklopenom modeli SU (5) x U (1) a SU (4) x O (4) GUT
Subhash Rajpoot
Model pre Simpsonovo 17 keV neutríno
R. Foot, S. F. King
Kvantovanie elektrického náboja s neutrínom 17 keV,
L. Bento, J. W. F. Valle
Najjednoduchší model pre neutríno 17 keV a efekt MSW
Miriam Leurer
Na nezmiešanom 17 keV neutríne
Eugeni Kh. Akhmedov, Zurab G. Berezhiani, Goran Senjanovic, Zhijian Tao
Účinky Planckovej stupnice vo fyzike neutrínov
Debajyoti Choudhury
Diskrétna symetria, magnetický moment neutrína a neutríno 17 keV
Debajyoti Choudhury, Utpal Sarkar,
Nový mechanizmus na generovanie neutrína 17 keV
Sidney A. Bludman,. C. Kennedy a P.G. Langacker
Predpovede modelu húpačky pre hmotu τ-neutrína