Следы темной материи? Физики засекли аномалию, которая может привести к научной революции

Сейчас у ученых есть несколько потенциальных зацепок, которые могут привести нас к новой физике — то есть показать, в каких расчетах правил нашего мира ученые ошибались или какие из них мы еще не открыли. Подробнее о всех из них вы можете почитать в этом материале, а сейчас сосредоточимся на одной из них.

Одна из таких зацепок — нейтрино. Это одна из самых распространенных частиц во Вселенной, однако это не особо помогает ученым, которые пытаются их изучать. Уловить и исследовать их настолько сложно, что ученые прозвали нейтрино призрачной частицей.

Они настолько маленькие и быстрые, что долгое время физики предполагали, что эти частицы совершенно не имеют массы и текут сквозь Вселенную со скоростью света. Лишь недавно ученым удалось доказать, что нейтрино все-таки обладают массой. Однако несмотря на то, что ученым все-таки удалось их уловить, они все равно ставят перед научным сообществом очень много вопросов, ответов на которые пока что нет.

Возьмите любую ядерную реакцию и будьте уверены — в ней участвует невероятное количество нейтрино. Поэтому наше Солнце и другие звезды, которые являются естественными термоядерными реакторами, производят нейтрино в огромных количествах: если вы закроете большим пальцем наше светило в небе, то ежесекундно сквозь ваш ноготь будет проходить около 60 млрд этих частиц. Причем самое интригующее даже не это, а то, что часть этих нейтрино появились в самые первые секунды после Большого взрыва. Фактически, каждый день мы так или иначе взаимодействуем (если это можно так назвать) с частицами, которые существуют на протяжении всей истории нашего мира.

Нейтрино участвуют в слабом ядерном взаимодействии и отвечают за ядерный распад и синтез. В современной физике их существует три вида — электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Недавно мы рассказывали, как ученые предлагали построить гигантский детектор нейтрино в Тихом океане, с помощью которого ученые попытаются уловить каждый из видов, чтобы выяснить причину нейтринных осцилляций — интересной особенности этой частицы менять свой вид во время своего путешествия сквозь космическое пространство.

Однако некоторые эксперименты показывают, что существует гипотетический четвертый тип нейтрино, который может стать той самой «новой физикой», за которой так активно гоняются ученые. Это стерильные нейтрино. Их отличие от остальных нейтрино в том, что они не участвуют в слабом взаимодействии, вместо этого используя исключительно гравитацию.

Стерильные нейтрино могут выступить своего рода мостом и соединить Стандартную модель и общую теорию относительности — две концепции, которые идеально описывают наблюдаемый нами мир, но который ученые сейчас никак не могут соединить в единую теорию всего.

Впервые о стерильных нейтрино мир услышал в середине 1990-х после одного из экспериментов в лаборатории в Лос-Аламосе (американский штат Нью-Мексико). Тогда ученые зафиксировали избыток частиц в детекторе нейтрино, которые и объяснили потенциальным существованием стерильных нейтрино. Засечь эти частицы очень сложно, поскольку они никак не взаимодействуют с материей.

Ничего не напоминает?

Да, примерно так же физики описывают темную материю — гипотетическую форму материи, зафиксировать которую нам до сих пор не удалось, однако ученые уверены, что она существует из-за ее гравитационного влияния на Вселенную. Многие исследвоатели всерьез рассматривают стерильные нейтрино как идеального кандидата на роль частицы, из которой состоит темная материя.

В ходе экспериментов в 90-х исследователи обстреляли лучами из мюоных нейтрино детектор, состоящий из электронных нейтрино, расположенный за изолирующей емкостью с водой, и смогли засечь 2437 столкновений, в то время, как их должно было быть почти на 500 меньше.

Затем был эксперимент, проведенный в 2018 году учеными в Fermilab — исследовательской лаборатории, расположенной в Чикаго. Тогда они повторили все точь в точь, только воду заменили на бак с маслом. И вновь теория не сошлась с практикой.

Однако многие другие эксперименты были не такими революционными, из-за чего некоторые физики уже успели провозгласить, что поиск стерильного нейтрино — бессмысленная затея. Сейчас исследователи Fermilab работают над созданием трех детекторов на жидком аргоне, которые в конце-концов, как ожидается, смогут дать окончательный ответ на вопрос о существовании новой элементарной частицы.

Новый эксперимент в рамках Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), проведенный Лос-Аламосской национальной лабораторией в сотрудничестве с другими учеными, показал еще один намек на новую физику. Результаты их работы были опубликованы в научных журналах Physical Review Letters и Physical Review C.

Ученые производили изотоп германий-71, облучая внутренний и внешний резервуар из галлия — мягкого серебристого металла, который использовался в предыдущих экспериментах — при помощи изотопа хромиума-51, излучающего нейтрино. Итоговая скорость производства германия была на 20−24% ниже, чем предсказывала теория. И, по словам ученым, это «замедление» полностью соответствует аномалиям, которые проскакивали в предыдущих экспериментах.

Однако для подтверждения существования стерильного нейтрино этого недостаточно. Ученые также планируют провести дополнительные исследования, чтобы получить более существенные доказательства.

«Результаты впечатляют. Они определенно подтверждает то, что мы видели ранее. Однако все еще далеко не очевидно — сейчас имеются противоречивые данные по поводу существования стерильных нейтрино. Если результаты покажут, что мы неправильно понимаем законы ядерной или атомной физики — это тоже будет невероятно интересно», — говорит Стив Эллиотт, ведущий аналитик одной из научных групп и член физического отдела в Лос-Аламосе.