Нейтрино – одні з найпоширеніших та, водночас, найзагадковіших частинок у Всесвіті. Достеменно не відомо, чи мають вони масу. Згідно Стандартної моделі, є три типи (т. зв. «аромати») нейтрино, однак їх може бути більше. Нове дослідження виявило невідповідність між розташуванням галактичних кластерів та властивостями космічного мікрохвильового фону (або реліктового випромінювання). Звідси випливають фундаментальні висновки стосовно маси цих елементарних частинок та існування ще одного їх типу.
Комп'ютерна реконструкція взаємодії нейтрино з детектором Super-Kamiokande, розташованому на глибині 1 км в цинковій шахті за 150 км від Токіо
Чимало науковців вважали, що невідповідність між розташуванням галактичних кластерів та властивостями реліктового випромінювання можна пояснити недосконалістю дослідницького інструментарію (цю проблему, отже, можна виправити в майбутньому за допомогою точніших телескопів). Однак знайшлись ті, хто стверджує, що проблема тут не в практиці, а в теорії, і розбіжності між обома даними зумовлені невідомими властивостями елементарних частинок нейтрино. Реліктове випромінювання показує, що ранній Всесвіт мав неоднорідну густину, а матерія в ньому «злипалася» докупи в одних місцях та утворювала пустоти в інших. Наслідки цього «злипання» сьогодні можна спостерігати як скупчення галактик.
Найточнішу мапу реліктового випромінювання (космічного електромагнітного випромінювання з високим ступенем ізотропії, спектром характерним для абсолютно чорного тіла та температурою 2,725 К), яке ще називають «ехом Великого Вибуху», створили на основі даних космічного телескопа Європейського космічного агентства «Планк» у березні 2013 р. Створення мап кластерів галактик, у свою чергу, походить від різних методик, зокрема гравітаційного лінзування та зумовленого ним викривленням світлових променів. Обидві мапи мали б точно відповідати одна одній. Однак, як стверджує фізик-теоретик Річард Батьє з Університету Манчестера, «якщо за основу обрати спостереження за реліктовим випромінюванням, то галактичних у Всесвіті кластерів мало б бути в два рази менше».
За його словами, невідповідність коріниться в наших уявленнях про нейтрино – електрично нейтральних, стабільних частинок, що беруть участь тільки в слабкій і гравітаційній взаємодіях. Якщо припустити, що нейтрино мають більшу масу, ніж постулює Стандартна модель, суперечність б зникла.
«Кількість галактичних кластерів є функцією від маси нейтрино. - пояснює Батьє. – Чим важчими вони є, тим повільніше відбувається процес формування галактичних кластерів». Згідно Батьє, у гарячому ранньому Всесвіті нейтрино рухалися зі швидкістю світла. У цьому стані їх маса дорівнювала нулю, гравітаційне притягання між ними не діяло й вони не «злипалися» докупи. Охолонувши, Всесвіт пройшов енергетичний поріг, після чого нейтрино набули масу, сповільнилися до швидкості, меншої за швидкість світла, та вступили в гравітаційну влаємодію. З цьому моменту вони стали активними учасниками процесу розподілу густини матерії у Всесвіті, який ми нині спостерігаємо у вигляді галактичних кластерів.
Батьє та його колега Адам Мосс з Університету Ноттінгема дійшли висновку, що нинішній розподіл галактичних кластерів можна пояснити, додавши до маси нейтрино 0,32 електронвольт, що становить близько третини мільярдної частки маси протона.
Крім того, Батьє та Мосс, виходячи із даної невідповідності, зробили висновок, що, окрім трьох основних «ароматів» нейтрино – електронного, мюонного та тау, – які можуть перетворюватися один в одний, існує ще четвертий – «стерильний» – «аромат», який не бере участі в цих перетворенням та взаємодіє з матерією навіть менше, ніж три основні. За словами Джозефа Формаджо, фізика з Масачусетського технологічного інституту, який не брав участі в дослідженні, «три нейтрино – це те, на чому побудована уся теорія цих частинок. Четвертий тип дозволяє викинути підручник через вікно».
Крім того, щонайцікавіше, висновок Батьє та Мосса корелює з результатами попередніх експериментів на прискорювачах, які також припускали існування «стерильних» нейтрино та обчислювали їх масу. Один із таких експериментів надавно пройшов під керівництвом Марка Ваймана з Чиказького університету, а його результати опублікували в тому ж випуску PSL, що й дослідження Батьє та Мосса. За результатами експерименту Ваймана також можна пояснити розбіжності між реліктовим випромінюванням та розподілом галактичних кластерів!
Багато років вчені вважали, що нейтрино взагалі не мають маси. Однак відкриття того, що вони можуть змінювати «аромати» свідчить, що якась таки маса в них є (маса нейтрино настільки незначна, що ці частинки практично не взаємодіють з речовиною; довжина вільного пробігу нейтрино з енергією 1 МеВ у свинцю становить майже 100 світлових років). «Аромат» нейтрино – це комбінація трьох базових типів мас, ще невідомих науці, які умовно називають «маса 1», «маса 2» та «маса 3». Трансформація «ароматів» можлива лише тоді, коли «маса 1», «маса 2» та «маса 3» відрізняються між собою та не дорівнюють нулю, - пояснює Формаджо.
Метою експериментів зі змінами «ароматів» в лабораторних умовах є встановлення різниці між базовими масами та визначення, який з них найлегший, а який – найважчий. Один з таких експериментів, названий NuMI Off-Axis νe Appearance (NOvA), пройшов на попередньому тижні у Національній прискорювальній лабораторії ім. Енріко Фермі (Fermilab) біля Чикаго. Під час експерименту вчені спрямували промінь нейтрино на два детектори – один неподалік Fermilab, а інший за 800 км у м. Аш-Рівер (штат Міннесота). На виході його утворювали виключно мюон-нейтрино, однак на детектор потрапила й низка електрон-нейтрино, що створюють на вході інший сигнал. Частота, з якою це трапляється, пов’язана з різницею мас електронних та мюонних нейтрино.
Тією мірою, як експерименти на прискорювачах збирають більше даних, вчені відкривають нові секрети маси нейтрино. Завдання наступних років – визначити, чи дійсно між розподілом галактичних кластерів космічному мікрохвильовим фоном існує емпірична невідповідність, не пов’язана з точністю апаратури. Це, своєю чергою, відкриє шлях інтерпретації на основі більшої маси базових «ароматів» нейтрино чи/ і четвертого, «стерильного» аромату. «Точність вимірювання увесь час вдосконалюєься. - каже Батьє. – Я припускаю, що десь через п’ять років ми нарешті дізнаємось усю правду».
25.02.2014