Сліди темної матерії? Фізики зафіксували аномалію, яка може призвести до наукової революції

Зараз учені мають кілька потенційних зачіпок, які можуть привести нас до нової фізики — тобто показати, в яких розрахунках правил нашого світу вчені помилялися чи які з них ми ще не відкрили. Докладніше про всі з них ви можете почитати в цьому матеріалі, а зараз зосередимося на одній із них.

Одна з таких зачіпок — нейтрино. Це одна з найпоширеніших частинок у Всесвіті, проте це не дуже допомагає вченим, які намагаються їх вивчати. Вловити та досліджувати їх настільки складно, що вчені прозвали нейтрино примарною частинкою.

Вони настільки маленькі і швидкі, що тривалий час фізики припускали, що ці частинки зовсім не мають маси і течуть крізь Всесвіт зі швидкістю світла. Лише нещодавно вченим вдалося довести, що нейтрино таки мають масу. Однак, незважаючи на те, що вченим все-таки вдалося їх вловити, вони все одно ставлять перед науковою спільнотою дуже багато запитань, відповідей на які поки що немає.

Візьміть будь-яку ядерну реакцію і будьте певні — у ній бере участь неймовірна кількість нейтрино. Тому наше Сонце та інші зірки, які є природними термоядерними реакторами, виробляють нейтрино у величезних кількостях: якщо ви закриєте великим пальцем наше світило у небі, то щомиті крізь ваш ніготь проходитиме близько 60 млрд цих частинок. До того ж найбільше інтригуює навіть не це, а те, що частина цих нейтрино з’явилися в перші секунди після Великого вибуху. Фактично, щодня ми так чи інакше взаємодіємо (якщо це можна так назвати) з частинками, які існують протягом усієї історії нашого світу.

Нейтрино беруть участь у слабкій ядерній взаємодії та відповідають за ядерний розпад і синтез. У сучасній фізиці їх існує три види — електронне нейтрино, мюонне нейтрино і тау-нейтрино. Нещодавно ми розповідали, як вчені пропонували побудувати гігантський детектор нейтрино в Тихому океані, за допомогою якого вчені спробують уловити кожен із видів, щоб з’ясувати причину нейтринних осциляцій — цікавої особливості цієї частинки змінювати свій вигляд під час своєї подорожі крізь космічний простір.

Однак деякі експерименти показують, що є гіпотетичний четвертий тип нейтрино, який може стати якраз тією «новою фізикою», за якою так активно ганяються вчені. Це стерильні нейтрино. Їхня відмінність від інших нейтрино в тому, що вони не беруть участі у слабкій взаємодії, натомість використовують виключно гравітацію.

Стерильні нейтрино можуть бути своєрідним мостом і поєднати Стандартну модель і загальну теорію відносності — дві концепції, які ідеально описують спостережуваний нами світ, але який вчені зараз ніяк не можуть поєднати в єдину теорію всього.

Вперше про стерильні нейтрино світ почув у середині 1990-х після одного з експериментів у лабораторії в Лос-Аламосі (американський штат Нью-Мексико). Тоді вчені зафіксували надлишок частинок у детекторі нейтрино, які пояснили потенційним існуванням стерильних нейтрино. Зафіксувати ці частинки дуже складно, оскільки вони ніяк не взаємодіють із матерією.

Нічого не нагадує?

Так, приблизно так само фізики описують темну матерію — гіпотетичну форму матерії, зафіксувати яку нам досі не вдалося, проте вчені впевнені, що вона існує через її гравітаційний вплив на Всесвіт. Багато дослідників серйозно розглядають стерильні нейтрино як ідеального кандидата на роль частинки, з якої складається темна матерія.

Під час експериментів у 90-х дослідники обстріляли променями з мюоних нейтрино детектор, що складається з електронних нейтрино, розташований за ізоляційною ємністю з водою, і змогли зафіксувати 2437 зіткнень, у той час, як їх мало бути майже на 500 менше.

Потім був експеримент, проведений у 2018 році вченими в Fermilab — дослідницькій лабораторії, розташованій у Чикаго. Тоді вони повторили все точнісінько, тільки воду замінили на бак з мастилом. І знову теорія не зійшлася з практикою.

Однак багато інших експериментів були не такими революційними, через що деякі фізики вже встигли проголосити, що пошук стерильного нейтрино — безглузда витівка. Зараз дослідники Fermilab працюють над створенням трьох детекторів на рідкому аргоні, які врешті-решт, як очікується, зможуть дати остаточну відповідь на питання про існування нової елементарної частинки.

Новий експеримент у межах Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST), що провела Лос-Аламоська національна лабораторія у співпраці з іншими вченими, показав ще один натяк на нову фізику. Результати їхньої роботи були опубліковані в наукових журналах Physical Review Letters і Physical Review C.

Вчені виробляли ізотоп германій-71, опромінюючи внутрішній і зовнішній резервуар з галію — м’якого сріблястого металу, який використовували в попередніх експериментах — за допомогою ізотопу хроміуму-51, що випромінює нейтрино. Підсумкова швидкість виробництва германію була на 20−24% нижчою, ніж передбачала теорія. І, за словами вчених, це «уповільнення» повністю відповідає аномаліям, які проскакували в попередніх експериментах.

Проте задля підтвердження існування стерильного нейтрино цього недостатньо. Вчені також планують провести додаткові дослідження, щоб отримати суттєвіші докази.

«Результати вражають. Вони напевно підтверджують те, що ми бачили раніше. Проте все ще далеко не очевидно — зараз є суперечливі дані щодо існування стерильних нейтрино. Якщо результати покажуть, що ми неправильно розуміємо закони ядерної чи атомної фізики — це теж буде неймовірно цікаво», — каже Стів Елліотт, провідний аналітик однієї з наукових груп і член фізичного відділу в Лос-Аламосі.