Честичката што не постоела епизода III Враќање на физиката; Змејови живеат тука
Во раните 90-ти години имаше експериментални докази за нова честичка, 17 keV неутрино. Во овој трет дел од приказната сакам да ја испитам реакцијата на теоретските физичари на оваа можност, приказна со која имам многу лична врска.
Кога започнав да ја пишувам оваа приказна минатиот викенд, штотуку ја разгледав теоретската работа, но сè уште не ја видов. Да знаев во што се впуштам, ќе можев подобро да ја завршам оваа приказна по Епизодата II - моето последно сериозно занимавање со физичката теоретска физика на честички беше пред извесно време, и работи како мајори, механизми за видување, механизми за MSW, Лептокваркс, Зелдович-Конопински-Махмуд-Лептон-обвиненија направија главата да зуе темелно.
Но, не грижи се - нема да навлегувам премногу длабоко во деталите, обидете се да покажете како теоретичарите се справија со новата честичка. Ако ви стане премногу техничко, само скокнете надолу до последниот дел, таму ќе ви кажам зошто ме интересира неутриното 17 keV и ќе се обидам да извлечам општи заклучоци, како што направив на крајот од епизодата II.
Што може да биде неутриното од 17 keV?
Она што не можеше да биде беше релативно јасно: четврти вкус на неутрино покрај електрони, муон и таун неутрини. (Понекогаш пишувам Тау-Неутрино, понекогаш Тауон-Неутрино. Двете се исти.) Експериментите во ЦЕРН дефинитивно го исклучија тоа затоа што ова неутрино требаше да се види кога се распаѓаше З-бозонот. Од распаѓањето на бозонот Z може да се заклучи дека може да има само три вкусови на неутрино. (Четврто би можело да се замисли само доколку неутриното има маса која е во ист редослед како онаа на З-бозонот и би била многу потешка од З-бозонот, но тоа не одговарало на вредноста на 17 keV, бидејќи З-бозонот е околу 5 милиони пати потежок од тоа.)
Може ли неутроното 17 keV да биде само неутрино на тау? За да го направите ова, електронскиот неутрино треба да може да стане тау неутрино.
Мешани состојби на честички
Неутриното 17-keV (кое, заради едноставност, сега се преправа дека постои, инаку текстот овде ќе биде апсолутно нечитлив поради огромниот број на сврзници) треба да настане за време на β-распаѓањето. При β-распаѓање, неутронот нормално се распаѓа во протон, електрон и електронски неутрино, но во околу 1% од случаите (според податоците од 1992 година) треба да се создаде неутроно од 17 keV наместо електронски неутрино.
Една можност, како би можела да работи, би било прво да се создаде електронски неутрино, кој потоа се претвора во 17 keV неутрино. Ваквите преобразувања на честички не се ништо ново во физиката - во 50-тите и 60-тите години, неутралниот К мезон (каон) им зададе главоболка на физичарите затоа што очигледно спонтано се претвори во своја античестичка. Оваа конверзија е квантен механички феномен.
Во случај на неутрино, може да се смисли на овој начин: електронскиот неутрино е честичка што припаѓа на емисијата на електронот. Бидејќи разликата помеѓу електронот, муонот и таунот се нарекува и „арома“, електронскиот неутрино припаѓа на вкусот на електронот - физичарите велат дека тоа е сама по себе квантна механичка состојба. Ако се промени спонтано во друго неутрино (неутрино од 17 keV), тогаш тој ги менува неговите својства во процесот, па затоа не е стабилен. Од релацијата на несигурност може да се заклучи дека масата на електронскиот неутрино не е фиксирана. Оттука, сопствените состојби на масата не се истовремено и состојки на вкусот.
Ова е стариот добар принцип на несигурност од квантната механика во малку поинаква форма: Ако го измерам „вкусот“ на неутриното (и тоа го правам индиректно со β-распаѓање, затоа што го набудувам електронот), тогаш неговата маса не е фиксирана. Ако ја измерам нејзината маса (или енергија), тогаш повторно вкусот не е јасно дефиниран. Електронот неутрино на оваа слика ќе биде мешавина од светло неутрино (што не е сопствена држава со вкус) и 17 keV неутрино. Ноутрино што лебди наоколу во енергетска сопствена држава го менува својот вкус.
(Патем, овој механизам навистина постои - како што знаеме денес, електронските неутрини можат да се трансформираат во муонски или таунски неутрини.)
Значи, може да се замисли дека електронскиот неутрино ќе се трансформира во тау неутрино во 1% од случаите додека е сè уште во детекторот. Тоа би било едноставно и елегантно решение за проблемот. За жал, ова не е лесно. За да го разбереме ова, да погледнеме на нивото на знаење во тоа време.
Истражување за неутрино во раните 90-ти
Покрај неутроното 17 keV, истражувањето на неутрино на почетокот на деведесеттите имаше уште еден отворен проблем: мерењата на сончевите неутрини покажаа дека бројот на неутрини е премногу низок. Бидејќи детекторите на земјата можеа да мерат само електронски неутрини, еден начин да се објасни ова беше дека електронските неутрини се трансформираат на патот од Сонцето до нас, во механизам за мешање, како што штотуку објаснив.
Исто така, сè уште не беше познато дали неутрините имаат маса. Двата проблеми се поврзани - безмасинските неутрини не можат да се трансформираат едни во други. Ова може јасно да се објасни: Безмасните неутрини летаат со брзина на светлината. Според теоријата на релативност, нема време да поминат за време на летот, па затоа не можат да се трансформираат себеси. (Овој аргумент секако не е целосно чист во теорија, но тука не е важен.)
Интересно беше и набудувањето на суперновата 1987А. Притоа, откриени се 24 неутрини на земјата - не звучи многу, но ако пресметате колку далеку била земјата од супернова и колку е мала веројатноста дека навистина ќе се измери неутрино во детекторот, ќе откриете дека суперновата всушност губи најголем дел од својата енергија во форма на неутрини.
Проблеми со 17 keV неутрино
Може ли неутроното 17 keV да биде само неутрино на тау? Поточно, неутроното 17 кеВ може да биде состојба на маса што во суштина одговара на вкусот на тау, со мала мешавина на вкусот на електрони, бидејќи тау и електронски неутрини треба да се претворат едни во други?
Од податоците за експлозијата на супернова може да се заклучи колку брзо суперновата зрачеше со енергија. Доколку електронскиот неутрино се трансформира во тау неутрино, со веројатност од 1% во β-распаѓањето, тогаш во супернова ќе се појават многу тау-неутрини. Споредбата со податоците покажа дека горната граница на масата на тау неутриното може да се добие од ова - тоа беше 30 keV, така што беше само компатибилно со податоците.
Друг проблем се појави при разгледување на Биг Бенг: Ако 17 кеВ неутрини се формираа таму со голема фреквенција, тогаш нивната маса ќе предизвикаше рано пропаѓање на универзумот. Покрај тоа, тие би влијаеле на зрачењето во космичката позадина - неговиот спектар тогаш ќе треба да изгледа сосема поинаку од измерениот. Проблемот може да се реши само доколку самото неутрино 17 keV може да се распадне во други честички.
Постојат можности за тоа во рамките на стандардниот модел, но животниот век на тау неутриното во стандардниот модел е поредок поголем од возраста на универзумот, па распаѓањето би било пребавно за да се спречи колапс на универзумот веднаш по големиот удар.
Стандардниот модел мора да се прошири, неутриното 17 keV дефинитивно содржи нова физика. Ако тоа е тау неутрино, тогаш се потребни нови можности за распаѓање. Ако не е тау неутрино, тогаш што е тоа?
Шпекулации
Фут и Кинг изработија модел во кој 17 keV неутрино е (во суштина) тау неутрино. За да биде во согласност со набудувањата, требаше да се воведат уште неколку честички, сите беа многу тешки (над 200 GeV) и затоа не беа забележани експериментално. Моделот истовремено се справи и со друг проблем: Докажа дека електричното полнење треба да се квантизира.
Нобеловецот Глешоу имаше сличен модел, во кој имаше шест држави на неутрини кои беа мешани на комплициран начин. Неутриното од 17 keV може да се распадне во таканаречени мајорни, кои се неитоварени и скоро незабележливи теоретски честички. Слични модели беа поставени во поголем број во следните години, сите тие малку се разликуваат во тоа како точно се мешаат различните состојби на неутрино.
Некои од овие модели го решија проблемот со сончевите неутрини истовремено - неутрините се мешаа на таков начин што осцилираа на патот од Сонцето кон Земјата и затоа не се гледаат сите овде.
Јошипура изгради убав модел во кој неутриното со 17 кеВ очигледно не го реши проблемот со сончевите неутрини (за жал, имам пристап само до апстрактот, па не сум баш сигурен дали има), но барем за позната е темната материја.
Папагеоргиу и Ранфон истражуваа различни можности. Во едно од нив, неутроното 17 keV се распаѓа во друга хипотетичка честичка, аксион. Друга публикација бараше да се види дали неутриното од 17 keV не може да се смести во таканаречените теории на ГУТ (Гранд унифицирани теории), кои ги комбинираат електро слабиот и силната сила и веќе се знаеше дека претпоставуваат вреќа со нови честички . Одговорот беше: Функционира, но мораше да вклучиш многу дополнителни претпоставки за сè да биде во согласност со мерењата.
Сосема поинаква идеја вклучува други хипотетички честички, т.н. „лептокварки“. Лептоварките можат да претворат лептони (вклучително и неутрини) во кварови и обратно. Тие се појавуваат во некои модели на ГУТ и очигледно може да се користат и за да се добие 17 кеВ неутрино под еден покрив со мерењата.
Во неколку модели, неутроното 17 keV е мешавина од електронски неутрино и нова честичка, „стерилно“ неутрино. Се нарекува стерилен бидејќи воопшто не комуницира со материјата. (Освен поради неговата маса.) Во еден труд, Чудури воведува неколку нови состојки на лептон кои на крајот резултираат со 17 кеВ неутрино, што се распаѓа доволно брзо за да се избегнат проблеми со експериментите.
Можеби општата теорија на релативност, исто така, некако игра во проблемот? Во секој случај, најдов и два труда во кои беа вклучени Планк-ефектите (т.е. ефекти врз скалата на должина, каде се важни квантните ефекти на гравитацијата). Гравитационите ефекти врз скалата Планк треба да бидат одговорни за неутринските маси. Ова резултира во многу мали неутрински маси (значително помали од 1 eV). Така што може да се смести и неутринското 17 keV, повторно треба да се воведе дополнителна честичка; 17-кеВ неутриното е тогаш мешана состојба на електронскиот неутрино и новата честичка, која дури не комуницира со материјата.
Сè на сè, можете да видите дека имало доста обиди да се прими неутриното од 17 keV. Проблемите како што е можниот колапс на универзумот или неутрините на суперновата беа решени со прилагодување на новата физика што беше развиена соодветно. За да бидеме фер, мора да се каже и дека имало и негативни публикации кои покажуваат дека одредени модели дефинитивно не би функционирале.
Виетфелд и Норман во својот преглед доаѓаат до следниот заклучок.
Тоа е почит кон теоретската генијалност што, и покрај тешките ограничувања, беа развиени голем број на одржливи, ако се малку измислени, модели за неутрино од 17 keV.
Треба да му се припише на теоретската остроумност дека и покрај тешките гранични услови се развиени голем број на корисни, макар и донекаде вештачки, модели за неутрино од 17 keV.
Јас и 17 неутралното кеВ
17-кеВ неутриното го доживеа својот „најславен период“ кога ја пишував тезата за диплома, а потоа и докторската теза по теоретска физика на ДЕСИ во Хамбург.
Во тоа време, написите (пред да бидат објавени во списанија) не беа дистрибуирани однапред до физичката заедница како таканаречени препечатоци преку Интернет сервери, туку беа испраќани низ целиот свет во хартиена форма. Секој понеделник по ручекот одевте во библиотеката и ги проверувавте новите отпечатоци за да видите дали има нешто интересно.
Така, за прв пат слушнав за неутроното 17 keV. Откако почнав да обрнувам внимание на ова, забележав дека барем на секои неколку недели има ново теоретско отпечаток за неутриното од 17 keV и како тоа се вклопува во физиката. Ми се чинеше дека секој теоретичар може да ја вметне новата честичка во својата лична омилена теорија на таков начин што ќе резултира „целосно природно“ - „природно“ е всушност збор што некој често го среќава тука во теоретските трудови. Ако го погледнам мојот краток преглед погоре, тогаш овој впечаток не беше сосема погрешен.
Кога честичката не постоеше (не се сеќавам точно кога дознав, но мислам дека беше само 1995 година - не читав експериментални отпечатоци толку често како теоретски), тоа ме направи многу внимателен. Дали е навистина можно да се вметне целосно произволна честичка во физиката, и никој од сегашните модели за проширена физика (ГУТ, суперсиметрија и што има) не е побиен со оваа честичка? И, ако е така, теоретската физика сепак е вистинска наука воопшто?
Овие прашања, кои исто толку веројатно се поставуваат во врска со теоријата на жици во денешно време, ме загрижија во тоа време - дали моделите на теоретската физика се дури и фалсификувани? Имаше многу причини зошто решив во 1996 година да направам нешто друго, наместо теоретска физика, но една од нив беше 17 keV неутрино.
Откако прочитав и размислував за многу публикации од тоа време во последните неколку дена, не сум сигурен дали тогаш не бев премногу песимист. Да бидам искрен, Стандардниот модел е веќе полн со произволни броеви и претпоставки. (Сепак, во однос на сè што објаснува, сепак е неверојатно добра теорија). Вклучувањето на 17 keV неутрино на еден или друг начин додава уште неколку на овие претпоставки. Во овој поглед, мојата критика кон стандардниот модел и неговите можни проширувања беше можеби претерана.
Исто така беше потешко да се вметне 17 keV неутрино во теоријата на таков начин што податоците од експлозијата на супернова 1987А и моделите од Биг Бенг исто така останаа точни. За таа цел, својствата на неутриното од 17 keV во однос на работниот век и сл. Мораше да бидат строго ограничени. Сигурно мора да се заслужат теоретичарите што активно се обидоа да најдат такви ограничувања и да ги земат предвид во нивните модели. Се чини дека успеале да пронајдат некои модели кои биле во согласност со сите набудувања. Ми се чини сомнително дали сите овие модели навистина можеа да преживеат ако беа испитани понатаму. Можеби понатамошното истражување би покажало дека многу од нив содржат нерешени проблеми.
На крајот на краиштата, тоа е веројатно слично на заклучокот од експерименталната работа: Индивидуалните теоретичари можеби биле премногу оптимисти во врска со компатибилноста на новата честичка со нивната лична омилена теорија. Како и со експерименталните физичари, има секако многу слава што треба да се собере ако можете да бидете првиот што ќе интегрира честичка во модел. Некои од публикациите можеби не издржаа на идниот надзор. Ако неутринското 17 keV не беше побиено во 1993 година, овие публикации ќе беа анализирани понатаму, ќе беа пронајдени недоследности и на крајот само мал дел од моделите ќе преживееја.
И овде станува јасно дека науката во крајна линија работи само во меѓусебна соработка меѓу поединци. Некои научници можеби се премногу ентузијастични и повремено ги игнорираат проблемите или недоследностите - но други ќе ги испитаат теориите со цел да ги рафинираат или развијат, и притоа да ги откријат овие проблеми. Како што видовме, овој механизам работеше многу добро во експериментите на 17 кеВ неутрино, а во теориите веројатно ќе работеше ако честичката преживееше.
Еве неколку публикации - ако некој сака да го има целиот список или да биде преполн со pdf, само испратете е-пошта ...
Елена Папагеоргиу и Стефано Ранфоне
Загатката за масовно-хиерархија и неутринското 17 keV во контекст на моделот на универзална пила
Елена Папагеоргиу, Стефано Ранфоне,
Неутрински маси во превртените SU (5) x U (1) и SU (4) x O (4) GUT модел
Субхаш Рајпотот
Модел за 17 кeV неутрино на Симпсон
R. Foot, S. F. King
Квантизација на електричен полнеж со 17 keV неутрино,
L. Bento, J. W. F. Valle
Наједноставниот модел за неутрино од 17 keV и ефект на MSW
Миријам Леурер
На немешаното неутрино од 17 keV
Евгени Х. Ахмедов, Зураб Г. Бережиани, Горан Сењановиќ, ijиџијан Тао
Ефекти на скалата Планк во физиката на неутрино
Дебајоти Чудури
Дискретна симетрија, неутрински магнетски момент и неутрино од 17 keV
Дебајоти Чудури, Утпал Саркар,
Нов механизам за генерирање на неутрино од 17 keV
Сидни А. Блудман,. Ц. Кенеди и П.Г.Ланкакер
Предвидувања за модел на пила за масата τ-неутрино