Unii fizicieni sunt surprinși de faptul că două descoperiri relativ recente au atras atât de multă atenție: inflația cosmică, expansiunea constantă a universului și bosonul Higgs care dau masa altor particule. Desigur, descoperirile sunt inofensive și foarte interesante, dar nu este un secret că sunt foarte plictisitoare. Fizicienii s-au săturat de modelul standard și, în opinia multora, ar fi mai bine pentru fizică ca întreg, dacă nu ar fi găsit bosonul Higgs.
Aceste descoperiri arată că teoriile noastre de bază care explică comportamentul Big Bang-ului mare și mic și modelul standard al particulelor și forțelor subatomice sunt exacte și bine stabilite. Dar inflația cosmică și bosonul Higgs nu vor ajuta să unească aceste fenomene și să răspundă la cele mai profunde probleme ale spațiului.
"Modelul standard, în forma sa actuală, nu poate explica de ce universul este exact așa cum îl vedem", -
spune Mark Messier, profesor de fizică la Universitatea din Indiana.
Pentru a depăși modelele pe care le avem, dincolo de modelul standard, avem nevoie de rezultate pe care nu ne așteptăm. Și când vine vorba de rezultate neașteptate, vedem doar un singur lucru: neutrino. Aceste particule sunt, de asemenea, foarte ciudate și ne bombardează în mod constant.
Fiind practic efemeră, neutrinii ne pot schimba serios viziunea universului dacă fizicienii ar putea răspunde la patru întrebări principale:
- Cum afectează substanța obișnuită neutrinii?
- Ce echipă un neutrino cu o masă?
- Antineutrinii trăiesc diferit de neutrinii normali?
- Poate aceste particule fantomatice să fie antiparticule?
Modelul standard pe care fizicienii l-au cultivat din anii 1950, cu toate quarcurile, leptonii și particulele care transferă forța, nu pot răspunde la aceste întrebări. Experimentele mari de neutrini din Statele Unite, Japonia și Europa colectează date și se pregătesc să rezolve aceste probleme. Aceste inițiative nu numai că pot dezvălui misterul particulelor fantomă, ci și ne pot duce la întrebări complet diferite despre natura lucrurilor.
Ce e în neregulă cu neutrinii?
Cu toate acestea, cea mai ciudată proprietate a neutrinilor este că nu trebuie să-și termine călătoria exact așa cum au început-o.
Pentru a afla despre aceste particule, cel puțin ceva a fost extrem de dificil, deoarece este dificil să se detecteze și să se producă neutrinii. Dar în prezent există mai multe modalități de a face acest lucru. Experimentatorii pot captura un pic pe drumul de la Soare, ca acel detector japonez și ceilalți colegi. Sau pot pune detectori alături de reactoarele nucleare care produc antineutrină electronică. În cele din urmă, fizicienii pot lansa acceleratoare de particule și pot colida protoni cu bucăți de grafit, creând astfel fluxuri de neutrini. Ultimul experiment nu a avut loc încă. Neutrinii artificiali sunt mai ușor de capturat decât rudele lor evazive, dar datorită naturii lor cuantice, detectarea de neutrini este o sarcină probabilistică.
Aromele neutre - electroni, muon și tau - nu sunt particule individuale individuale, ci combinații de mase diferite de neutrini. Aceste mase sunt legate de energiile neutrinilor, așa cum ne-a învățat Einstein la E = mc². Deși neutrino se poate naște cu energie opredelnie și, prin urmare, cu un anumit gust (Sun, de exemplu, produce o pluralitate de electroni neutrini), neutrinii starea cuantică a unui amestec de toate cele trei, răsucite în timp.
"Ele sunt, în esență, cuantice mecanice. Dacă vă dau un electron și vă întreb în zece minute dacă electronul rămâne în mână, răspunsul este "da", spune Messier. - Dar neutrinii nu.
Deși masa lor este puțin redusă, materia obișnuită poate interacționa cu ele. Robert Wilson, profesor de fizică la Universitatea din Colorado, compară neutrinii cu lumina care trece printr-un filtru. Unele lungimi de undă se schimbă, altele nu. În același mod, unele tipuri de neutrini se pot prinde de materia obișnuită, deși altele vor zbura.
Luna trecută, experții japonezi au demonstrat acest efect oscilator, descoperind că neutrinii sunt mai strălucitori pe timp de noapte. Pe măsură ce neutrinii electronici zboară de la Soare spre Pământ, ei oscilează între neutrinii muon și tau. Dar după ce trec prin materia densă a planetei noastre, unele dintre ele se schimbă în direcția opusă. Acest lucru sugerează că unele transformări mecanice cuantice apar în timpul interacțiunii cu materia de pe Pământ, în special cu electronii. Potrivit lui Messier, neutrini de electroni pot fi schimbate cu un boson W, un purtător de forță slabă, în timpul acestei interacțiuni.
"Este ca si cum sarutati electroni si zburati pe. Aceasta este o forță slabă de interacțiune ", spune el. - Bozonul W modifică faza valului său fără a schimba pulsul.
Experimentul LBNE va analiza aceste efecte legate de materie care duc la apariția picăturilor de neutrini electronice în mijlocul dușului neutrinilor muon. Acceleratoarele Fermolab vor trimite neutrini pentru 1.500 de kilometri la un detector cu argon lichid, îngropat sub Dakota de Sud. Acest lucru va permite fizicienilor nu numai să studieze efectele materiei, dar și să afle care materie interacționează cu neutrinii în primul rând.
Wilson notează că acest efect mic are consecințe importante pentru asimetria dintre materie și antimaterie.
"Este încă neutrin, particula nu sa schimbat. Dar probabilitatea ca veți observa o schimbare a măsurătorilor depinde de cât de mult au trecut neutrinii ".
Cum rămâne cu masa proprie a neutrinului? Nici modelul standard nu poate explica acest lucru. Fizicienii ar putea spune doar că neutrinii diferă unul de celălalt, dar nu există specificități. Nu știm care neutrinii sunt cele mai grele și care sunt cele mai ușoare. Un detector numit NuMO Off-axis v Aspect, sau NOvA, va ajuta la determinarea ierarhiei de masă a neutrinilor. NuMI este un fascicul de neutrini de la Fermilab; Un detector NoVA de 14.000 de tone va monitoriza nepotrivirea dintre neutrinii muonului plecat și neutrinii electronilor care sosesc.
Chiar dacă în cursul acestor experimente va fi posibilă generarea unor noi date despre masă, fizicienii nu vor putea să spună exact cum apare această masă. Deoarece neutrinii sunt mai ușori decât orice alte particule, este puțin probabil ca mecanismul Higgs să le împuternicească cu masă, ca în cazul altor particule.
"Trebuie să existe un mecanism care să determine masele lor", spune Messier. - Dar ce mase? Ce ordine urmează? Care este ordinea amestecării? Acest lucru va lansa o serie de programe pilot care vor exacerba în continuare problemele modelului standard. "
LBNE, NOvA și alte experimente viitoare vor întinde aceste fisuri până când modelul Standard se va prăbuși complet. Și pe ruine, oamenii de știință speră să construiască o nouă teorie a fizicii.
infractorilor
Pe lângă furnizarea unei surse cunoscute de neutrini calibrate, acceleratorul de fascicul poate produce, de asemenea, neutrini. Acest lucru permite experimentatorilor să caute diferențe în modul în care aceste două tipuri de particule oscilează. Înțelegerea mecanismelor oscilațiilor neutrinilor și antineutrinilor va dezvălui vălul secretului asupra asimetriei universului: de ce este umplut cu ceva mai degrabă decât cu nimic?
Fizicienii folosesc termenul taxă-paritate, sau CP, atunci când vorbim despre simetria dintre materie și antimateria din univers. Dacă nu ar exista simetrie, nu ar exista un univers. Părți echivalente de materie și antimaterie create în timpul Big Bang-ului ar dispărea într-o lumină de radiații.
"Și s-ar putea să credem că, dacă nu ar fi fost faptul de existența noastră, ea ar fi disproporționată de această teorie", spune Wilson. Sa întâmplat ceva care a înclinat balanța în favoarea noastră. Explicarea acestui fapt necesită câteva cifre cheie, inclusiv valori numerice, care descriu amestecurile dintre diferitele arome ale neutrinilor.
LBNE, a căror construcție va fi nevoie de 857 de milioane de dolari de peste 10 de ani, va măsura interacțiunea neutrini cu materia pentru propriile lor scopuri, dar va ajuta, de asemenea, fizicienii sa studieze ierarhia de masă neutrini. O cunoaștere a acestor valori va permite fizicienilor să studieze încălcarea CP fără erori.
Messier are mari speranțe în acest sens.
"Acesta este cel mai rău caz: tot ce faceți este să măsurați delta. În cel mai rău caz, actualizăm paradigma actuală. În cel mai bun caz, îl respingem. Vedem dovezi că nu avem o imagine completă, astfel încât această frumoasă poveste despre mase și amestecurile pe care ni le spunem poate fi incompletă. Trebuie să punem fundația pentru a înțelege mai bine ce se întâmplă. "
Detectorul LBNE va fi, de asemenea, ghidat de aceste efecte.
În timp ce mii de miliarde de particule va curge continuu prin detector, neutrino este atât de dificil de a detecta că LBNE hardware-ul, nova, T2K și alte detectoare vor lucra de ani înainte de a măsura comportamentul neutrinilor și aromele lor. Chiar și acest lucru va necesita o anumită mișcare de mână: neutrinii nu interacționează direct, așa că oamenii de știință îi găsesc prin mici străluciri de lumină care radiază alte particule când neutrinii le-au lovit. Puteți să-i numiți particule de parfum aromă.
Detectorul Super-K la prins, uitându-se la strălucirea luminii albastre într-o cantitate imensă de apă, radiația Cherenkov. Detectorul NOvA va folosi un scintilator lichid format din sute de mii de țevi din plastic umplut cu lichid care strălucește când particulele trec prin el. Inginerii Fermilab au proiectat roboți speciali care se vor târî prin țevi și le vor remedia eficient. LBNE va utiliza metode dovedite de observare a neutrinilor, verificate în timpul experimentului ICARUS, care implică utilizarea unei rețele sub tensiune ridicată, înmagazinată în argon lichid.
Ce urmează?
Dezvoltarea fizicii dincolo de modelul standard și aproximarea potențială a teoriei Grand Unification depinde în mod direct de ce vor vedea noii detectoare. Semnalele LBNT pot sugera un posibil al patrulea neutrino, mare sau mic, care va ridica noi întrebări despre materia întunecată și despre originea universului.
Chiar și explicația misterelor neutrinice nu poate explica pe deplin asimetria materiei și a antimateriei, sau uniunea forțelor nucleare sau raportul dintre aceste forțe și gravitație, sau ce este materia întunecată sau ce este energia întunecată.
Poate că am înțeles complet toate aceste lucruri.
"Kepler a crezut că cea mai importantă întrebare din știință este de a înțelege de ce există șase planete în sistemul solar. El nu știa despre celelalte două ", spune Huber. - Acum știm că majoritatea stelelor au propriile lor planete. Așa cum astăzi nu cunoaștem multe întrebări și multe răspunsuri, într-o sută sau două sute de ani ele vor fi prostii. Sau nu vor. "
Deși Large Hadron Collider a descoperit cu succes bosonul Higgs - de fapt, de aceea a fost construit - încă nu a fost în măsură să împingă limitele Modelul Standard. În mod similar, teoreticienii speră să meargă dincolo de ea, Huber oferă fizicienii trece de la inele acceleratoarelor gigant pentru a muoni de colectare, acceleratoare miuonici și „fabrica de neutrino“, puteți crea grinzi mari și precise de neutrini.
"Măsura cea mai precisă a neutrinilor este o rută bună", spune omul de știință. "Evident, neutrinii pregătesc surprize pentru noi unul câte unul".
Trimiteți-le prietenilor: