Рождение бозона Хиггса при столкновении двух адронов Недавно коллаборация физиков EXO-200 (Enriched Xenon Observatory — Обсерватория с обогащенным ксеноном), в которую входят ученые из США, Канады, России, Китая, Южной Кореи и Германии, опубликовала статью в журнале Nature, в которой сообщила об отрицательном результате поиска майорановских нейтрино.
Обнаружение таких частиц позволило бы ученым выйти за пределы Стандартной модели, поскольку само существование гипотетических частиц нарушает законы сохранения для некоторых квантовых чисел (в данном случае — лептонного заряда). Редакция «Ленты.ру» решила выяснить, что представляют из себя эти частицы и к каким последствиям для Стандартной модели приведет их возможное открытие. 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) 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 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 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 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 нейтр... Рождение бозона Хиггса при столкновении двух адронов Недавно коллаборация физиков EXO-200 (Enriched Xenon Observatory — Обсерватория с обогащенным ксеноном), в которую входят ученые из США, Канады, России, Китая, Южной Кореи и Германии, опубликовала статью в журнале Nature, в которой сообщила об отрицательном результате поиска майорановских нейтрино. Обнаружение таких частиц позволило бы ученым выйти за пределы Стандартной модели, поскольку само существование гипотетических частиц нарушает законы сохранения для некоторых квантовых чисел (в данном случае — лептонного заряда). Редакция «Ленты.ру» решила выяснить, что представляют из себя эти частицы и к каким последствиям для Стандартной модели приведет их возможное открытие. 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) 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 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 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 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 нейтр...
Свежие комментарии