Skąd neutrina pobierają swoją masę? To tajemnica, jedna z najbardziej zaskakujących w standardowym modelu fizyki cząstek. Ale zespół fizyków uważa, że wie, jak to rozwiązać.
Oto problem: Neutrina są dziwne. Ultra-słabe cząsteczki, większość z nich jest tak niskoenergetyczna i nieistotna, że przechodzą przez całą naszą planetę bez zatrzymywania się. Przez dziesięciolecia naukowcy uważali, że w ogóle nie mają masy. W oryginalnej wersji Modelu Standardowego, która opisuje fizykę cząstek, neutrino było całkowicie nieważkie. Jakieś dwie dekady temu to się zmieniło. Fizycy wiedzą teraz, że neutrina mają masę, choć w niewielkich ilościach. I nie są jeszcze pewni, dlaczego ta masa jest.
Możemy jednak rozwiązać tę tajemnicę, argumentuje nowy artykuł opublikowany 31 stycznia w czasopiśmie Physical Review Letters. Biorąc pod uwagę wystarczającą ilość czasu i danych, neutrina o największej energii, które możemy już wykryć, powinny pomóc w odblokowaniu tajemnic ich masy.
Wykrywanie rezonansów neutrin
Neutrina pochodzą z różnymi ilościami energii: w przeciwnym razie dwie identyczne cząstki będą zachowywać się bardzo różnie, w zależności od ilości energii, którą niosą.
Większość neutrin, które możemy wykryć, pochodzi z naszego Słońca i garści superjaśnych źródeł energii na Ziemi (takich jak reaktory jądrowe) i jest stosunkowo niska. A neutrina o niskiej energii z łatwością prześlizgują się przez kawałki materii, nie uderzając w nic. Ale nasza planeta jest również bombardowana przez neutrina o dużo wyższej energii. A te znacznie częściej uderzają w inne cząstki, jak przyczepa ciągnika krzycząca w dół autostrady na mijanym pasie.
W 2012 roku na Antarktydzie pojawił się detektor cząstek, który został zaprojektowany do wykrywania neutrin o wyższej energii. Ale detektor o nazwie IceCube nie może ich bezpośrednio wykryć. Zamiast tego szuka następstw zderzeń wysokoenergetycznych neutrin z cząsteczkami wody w otaczającym lodzie - zderzeń, które powodują wybuchy innych rodzajów cząstek, które IceCube może wykryć. Zwykle te wybuchy są chaotyczne, wytwarzając różnorodne cząsteczki. Ale czasami są niezwykle czyste - w wyniku procesu zwanego rezonansem - powiedział współautor badań Bhupal Dev, fizyk z Washington University w St. Louis.
Kiedy neutrino uderza w inną cząsteczkę, a konkretnie w elektron, czasami przechodzi przez proces znany jako rezonans Glashowa, Dev powiedział Live Science, że rezonans miesza obie cząsteczki razem i zamienia je w coś nowego: bozon W. Po raz pierwszy zaproponowany w 1959 r. Rezonans Glashow wymaga bardzo wysokich energii, a jeden przykład mógł pojawić się w IceCube w 2018 r., Zgodnie z przemówieniem z 2018 r. Na konferencji neutrin.
Ale według Deva i jego współautorów mogą istnieć inne rodzaje rezonansów. Jedna z bardziej popularnych teorii, w jaki sposób neutrina uzyskują swoją masę, znana jest jako „model Zee”. W modelu Zee istniałby inny rodzaj rezonansu, taki jak Glashow, wytwarzający kolejną nową cząsteczkę, znaną jako „wybuch Zee”, jak napisali naukowcy w nowym badaniu. I ten rezonans byłby w zakresie możliwości wykrycia IceCube.
Gdyby wykryto wybuch Zee, doprowadziłoby to do radykalnej aktualizacji Modelu Standardowego, całkowicie zmieniając sposób, w jaki fizycy postrzegają neutrina, powiedział Dev.
Model Zee przejdzie od teorii do twardej nauki, a istniejący model neutrin zostanie wyrzucony.
Ale IceCube jest wrażliwy tylko na pewne zakresy energii neutrin, a warunki, które spowodowałyby wybuchy Zee, znajdują się na zewnętrznych krawędziach tego zakresu. Z czasem jeden taki incydent zostanie prawdopodobnie wykryty przez IceCube w pewnym momencie w ciągu najbliższych 30 lat.
Naukowcy zauważyli, że na szczęście nadchodzą aktualizacje IceCube. Gdy detektor zostanie zaktualizowany do znacznie większego i bardziej czułego IceCube-Gen 2 (nie jest jasne, kiedy to nastąpi), bardziej wrażliwe urządzenie powinno być w stanie wykryć wybuch Zee w ciągu zaledwie trzech lat - jeśli wybuchy Zee są naprawdę tam.
A jeśli nie ma wybuchów Zee, a model Zee jest zły, tajemnica masy neutrin będzie się pogłębiać.
