Почти 40-летние эксперименты подкинули физикам-ядерщикам задачку, от которой голова идет кругом.
Галлий – интересный металл. Он твёрдый, но только пока вы не возьмёте его в руки, потому что от тепла ладоней он превращается в жидкость. У физиков есть особое применение для одного из двух стабильных изотопов галлия: с его помощью можно изучать солнечные нейтрино. Но ученые столкнулись с загадкой, которая может перевернуть всю современную физику.
Содержание
Проблема не в самом галлии. Стандартная модель физики элементарных частиц – возможно, одна из самых точных теорий, когда-либо созданных человечеством, но у неё есть пределы. Мы знаем об этом, но не знаем, где именно проходят эти границы и что находится за ними. И вот здесь на сцену выходит этот необычный металл.
Три аромата нейтрино
Когда атом галлия-71 взаимодействует с электронными нейтрино, он превращается в германий-71 и электрон. В отличие от галлия, германий-71 нестабилен и распадается с периодом полураспада 11,4 дня обратно в галлий, что удобно и для измерения, и для дальнейших исследований.
Нейтрино – странные маленькие частицы. Известно три их типа: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Это так называемые “ароматы”. У них нет электрического заряда, а их масса настолько мала, что долгое время считалось, что её вообще нет. Нейтрино могут беспрепятственно преодолевать межгалактические расстояния. Каждую секунду через ваше тело пролетает 100 триллионов нейтрино, но вы этого не чувствуете, настолько редко они взаимодействуют с веществом.
Нейтрино рождаются в самых разных физических процессах, в том числе в реакциях термоядерного синтеза в ядре Солнца. Но по мере своего путешествия они меняются. Меняются их “ароматы”: электронные нейтрино превращаются в мюонные, мюонные – в тау-нейтрино, и наоборот. Соотношение этих превращений, называемых осцилляциями, хорошо предсказывается наблюдениями и теорией.
И вот тут-то и начинаются сложности. Эксперименты с галлием показывают, что образуется недостаточно германия.
Эксперименты указывают на пробел в теории
Первые подозрения появились в результате советско-американского галлиевого эксперимента, который начался в 1989 году и продолжался несколько десятилетий. Два года спустя в Италии стартовал еще один эксперимент под названием GALLEX. Оба эксперимента показали дефицит производимого германия. Так была обнаружена “аномалия галлия”.
Если перефразировать Шекспира, то ошибка не в нашей звезде, а в нашем выборе элемента. Последующее исследование BEST (Баксанский эксперимент по стерильным переходам) подвергло галлий воздействию нейтрино с помощью радиоактивного хрома (интенсивного источника нейтрино). Предполагалось, что проблема может заключаться в неверной оценке солнечных нейтрино. Однако и в этом случае выход германия-71 оказался ниже ожидаемого – на 20-24%.
Ещё одной гипотезой было неполное понимание взаимодействия нейтрино с галлием. Эта гипотеза была уточнена в 2023 году, но аномалия никуда не делась.
Также рассматривалась версия о том, что период полураспада германия-71, составляющий 11,4 дня, был измерен неточно. Но и эта гипотеза не подтвердилась. Аномалия упорно не желает исчезать.
Загадочное стерильное нейтрино
Мы не утверждаем, что в “меню” Стандартной модели есть какие-то секретные частицы. Но мы упоминали о её ограничениях. Возможно, существуют и другие частицы, например, гипотетические стерильные нейтрино, которые взаимодействуют с обычным веществом только через гравитацию. Ранее существование стерильного нейтрино с массой примерно в двести раз меньше массы электрона было опровергнуто другими экспериментами. Но результаты BEST указывают на то, что масса стерильного нейтрино может быть больше.
Конечно, стерильное нейтрино – не единственно возможное объяснение. Возможно, учёные что-то упустили в экспериментах. А может быть, существует совершенно иное объяснение, выходящее за рамки Стандартной модели. Пока мы не знаем ответа, но сам факт того, что такой простой металл, как галлий, может стать ключом к новому пониманию Вселенной, не может не завораживать.
Читайте также: Невидимое небо в нейтрино
