Новая физика может начаться со стерильных нейтрино, рассказал академик Игорь Ткачев

14 Мая 2017

МОСКВА, 14 мая. Академик Игорь Ткачев из Института ядерных исследований РАН в Троицке рассказал о том, как Россия может стать лидером в поисках неуловимых стерильных нейтрино, как с ними связана таинственная темная материя и почему он считает, что БАК вряд ли откроет новую физику.

На этой неделе в НИЯУ МИФИ в Москве и Институте ядерных исследований в Троицке состоялась следующая встреча физиков ЦЕРН из коллаборации NA61, пытающихся раскрыть тайности устройства кварково-глюонной плазмы, аналога первичной материи Вселенной, и принципы взаимодействия между нейтрино, самыми неуловимыми частицами, и другими формами материи.

Направление исследований для многих из этих экспериментов, как рассказали участники встречи, были заложены еще несколько десятилетий назад силами советских и российских ученых в Троицке. Например, в начале 1990 второй годов отечественные физики начали измерения массы нейтрино и пришли к выводу, что она должна поделаться очень небольшой, получив лучшие в мире ограничения. Сегодня увеличенная копия российского детектора, получившая имя KATRIN, строится в Германии. Этот опыт позволит продвинуться в ограничениях еще на порядок, либо наконец измерить массу нейтрино.

Он рассказал о первых результатах подобных поисков и объяснил, почему открытие этих частиц может стать окном в новую физику и может объяснить многие загадки Вселенной, в том числе и существование ночной материи.

— Игорь Иванович, насколько вообще целесообразно и зачем нужно искать стерильное нейтрино?

— Мы знаем, что Стандартная модель физики не является полной – к примеру, существование темной материи и наличие массы у нейтрино выходят за ее пределы и не беседуют ей. Существует много марок, способных объяснить оба этих факта, многие из которых являются очень сложными. Самая простая возможность вложить стерильные (или правые) нейтрино в Стандартную модель.

Конечно, модель в которой возникает масса у нейтрино можно сделать и сложной, но в данном случае, как мне кажется, работает принцип бритвы Оккама – самые простые и красивые теоретические построения обычно оказываются самыми близкими к реальности. Кроме того, было бы странно, если бы масса нейтрино возникала не так, как у всех остальных частиц Стандартной модели, в результате взаимодействия их правых компонент с полем Хиггса.

Когда мы думали, что у нейтрино нет массы, было логичным считать, что у нейтрино этого правого партнера нет. Но теперь, когда мы знаем, что у нейтрино есть масса, имеется основания думать об обратном. Вопрос теперь заключается в массе этих партнеров – если она окажется слишком большой, то тогда мы никогда не сможем найти стерильные нейтрино в лаборатории. Такую возможность выключить нельзя, но тогда у этой модели не будет и других интересных следствий, о которых пойдет речь ниже.

Другие эксперименты, такие как Дайя-бэй и IceCube, закрыли область существования крайне легких стерильных нейтрино, не интересных для нас с космологической точки зрения. С другой стороны, если эта масса будет в примерно десять тысяч раз большого, чем у обычных нейтрино, т. е. около 1 кэВ, то тогда стерильные нейтрино могут составлять основу темной материи. Поиском таких нейтрино мы сейчас и начали заниматься.

— Как можно убедить публику в том, что это итогового?

— Это же одна из самых фундаментальных ран в настоящее время. У темной материи есть все шансы быть открытой в лаборатории, рано или поздно. Поэтому темну

ю материю ищут десятки, если не сотни коллективов ученых уже несколько десятилетий. Эти поиски идут в самых разных направлениях – кто-то верит в тяжелые вимпы и пытается их найти, кому-то нравятся аксионы.

Стоимость каждого такого эксперимента на современном этапе находится на уровне 100 миллионов долларов, и никто не думает об их прекращении. Наш проект, по сравнению с такими детекторами, совсем ничего не стоит. Если нашу установку создавать сегодня, она обошлась бы, где то в 5 миллионов баксов, и сами эксперименты гораздо дешевле, чем поиски других форм темной материи.

О чем это высказывает? Более существенные вложения могли бы позволить нам достичь итогового предела точности в наших измерениях и зайти в ту область, где мы ожидаем заказать стерильные нейтрино, объясняющие существование темной материи, ее долю во Вселенной, ненулевую массу нейтрино и другие явления, выходящие за рамки Стандартной марки. Для этого нам нужно повысить чувствительность детектора на несколько порядков, и тогда мы выйдем в ту область, которая интересна и физикам, и космологам.

— Достижимо ли это с финансовой и технической точки зрения?

— Самая дорогостоящая часть нашей установки уже готова к подобной работе, на следующем этапе нам нужно заменить сенсоры и электронику на более высокоактивные. Конечно, можно продолжать накапливать данные и на нынешнем оборудовании, но тогда нам придется прождать десятилетия, чтобы получить результат.

Сейчас мы планируем осуществлять параллельно и замеры, и обновление оборудования. Мы надеемся, что обновление железа и улучшение методик работы с ним позволит нам поднять чувствительность детектора как минимум на порядок, а может быть, и на два порядка, если это позволит сделать систематика.

Мы нашли новую каждодневная жизнь для нашей установки и начали поиски стерильных нейтрино, однако нам быстро стало ясно, что подобные поиски в одиночестве продолжать невозможно и неправильно. Сейчас мы сотрудничаем с нашими немецкими коллегами из проекта KATRIN. В мае начнется более совершенный сеанс работы, и к нам приедет большая делегация из Германии вместе с новой электроникой и детектором, которые будет установлены в конце сеанса.

Это приобретёт нам сравнить результаты наблюдений и понять насколько новая немецкая электроника лучше для нас. В этом заинтересованы и мы, и немецкие коллеги, чья установка пока не начала свою работу. Если все получится, дальше будем осуществлять совместный эксперимент здесь, в Троицке.

— Поможет ли открытие стерильных нейтрино в раскрытии фундаментальных свойств материи, в том числе и при анализе результатов экспериментов NA61?

— Для NA61 помню, что нет. Но, с фундаментальной точки зрения, стерильные нейтрино чрезвычайно важны для определения того, в какую сторону и как будет расширяться Стандартная модель – можно пойти, примерного говоря, направо, налево, вверх или вниз, или же просто дополнить нейтрино по аналогии с другими известными частицами. Какой из этих путей правильный – на сегодняшний день фундаментальный вопрос.

Соответственно, если мы найдем стерильные нейтрино, то тогда сразу станет ясно, в каком направлении двигаться. С другой стороны, даже если поиски завершатся неудачей, это тоже распогодит ситуацию – к примеру, если стерильные нейтрино не существуют в той области, которая связана с темной материей, то тогда мы будем знать, что она является какой-то другой сущностью за пределами Стандартной модели.

— Недавно вы и ваши коллеги из МФТИ опубликовали статью о том, что темная материя может поделаться нестабильной и что заметная ее часть могла распасться. Будет ли означать открытие стерильных нейтрино то, что и эта теория верна?

— С одной стороны, об этом можно говорить в принципе, но с другой стороны, те стерильные нейтрино, которые мы ожидаем найти, в минимальном варианте не могут объяснить те аномалии в реликтовом излучении Вселенной, о которых мы говорили. Стерильные нейтрино по своей природе должны делиться, превращаясь в активное нейтрино и фотон, однако эти распады будут происходить слишком не частого – время жизни стерильных нейтрино превышает возраст Вселенной.

Для того, чтобы объяснить те неадекватности, которые были зафиксированы в данных по реликтовому излучению Вселенной, нужно, чтобы распалось как минимум 5% темной материи, что невозможно в рамках простых представлений о свойствах стерильных нейтрино.

С другой стороны, реальность может поделаться более сложной, могут существовать еще какие то взаимодействия и частицы, и тогда гармоника распадов стерильных нейтрино будет другой. Сейчас я как раз работаю над подобными сценариями.

— В последние два года физики все чащобе говорят о возможных намеках на новую физику в результатах опытов на БАК. На ваш взгляд, где и когда мы увидим первые реальные следы мира за пределами Стандартной марки?

— В ближайшие десять лет, как я считаю, вряд ли получится что-то обнаружить. Трудно быть оракулом, но я не думаю, что мы на самом деле близки к открытию новой физики, если говорить об экспериментах на Большом адронном коллайдере.

С другой стороны, ситуация выглядит более оптимистичной, если говорить о стерильных нейтрино и аксионах. Я надеюсь так как уверенно говорить здесь нельзя , что именно они станут тем проявлением новой физики, которое нам удастся найти первым.

Для этого есть вполне логичные причины. Стерильные нейтрино являются неискусственными кандидатами на роль частиц ночной. Почему? Нужно включать на естественные расширения Стандартной марки, необходимость которых вытекает из решения каких то других ран, а не просто ради объяснения существования темной материи.

К примеру, если взять нейтрино, мы знаем, что они незаменимым обладать массой, которую откуда-то нужно взять. Для такого мы вводим правые нейтрино и это добавление к теории к тому же объясняет, где берется темная материя. Аналогичной является ситуация с аксионами, другим кандидатом на роль легкой темной материи, тоже спутанным с еще одним пробелом в Стандартной модели.

Аксионы уже достаточно давно, около 20 лет, планомерно пытаются найти в лабораториях, постепенно перебирая интересную для космологии и экспериментально доступную область значений их массы. С другой стороны, темную материю в форме стерильных нейтрино целенаправленно не искали, и у нас есть большие шансы подвинуться в этом направлении, на что нам понадобится как минимум 5-10 лет. Что именно является темной материей, мы пока не знаем, но, возможно, одновременно существуют и стерильные нейтрино и аксионы.

К сожалению, как показывает история бозона Хиггса, от теоретического предсказания до открытия может пройти до полувека. Открытие, конечно может быть неожиданным, но чаще всего выпрыгивают статистические флуктуации, такие как недавняя история с резонансом 750 ГэВ, которые выглядят как новая физика, но на самом деле являются случайными равенствами.

Облака часто складываются в узоры, в которых некоторые идеалисты видят слонов. То же самое происходит с экспериментальными такого планами, и нам, шибче всего, придется долго ждать того момента, когда мы дойдем до реальных результатов.

Редактор рубрики

Леонид Кузьмин

Место события на карте мира:

Новая физика может начаться со стерильных нейтрино, рассказал академик Игорь Ткачев

комментарии (0)

Другие интересные новости

Депутат назвал Пугачеву бабушкой, которая когда-то пела