В глубинах Кавказких гор: охота за призраком новой физики

В глубинах Кавказских гор, на границе России и Грузии, проводится необычный эксперимент. В подземной лаборатории, защищенной горным массивом, находится высокоактивный радиоактивный материал внутри резервуара с жидким галлием. Этот материал испускает частицы, называемые нейтрино, которые разрушают галлий, превращая его в атомы германия.

Цель эксперимента — решить малоизвестную загадку физики: галлиевую аномалию. «Я считаю, что это одна из самых захватывающих аномалий в нейтринной физике на сегодняшний день», — сказал Бен Джонс , нейтринный физик из Университета Техаса в Арлингтоне. Около трех десятилетий назад, в предыдущей версии этого эксперимента, ученые впервые обнаружили дефицит ожидаемых атомов германия, который до сих пор не могут объяснить.

С тех пор физики пытались исключить возможные ошибки измерений или неточности, которые могли бы объяснить аномалию. Теперь они исключили еще одну возможность. Эрик Норман , ядерный физик из Калифорнийского университета в Беркли, и его коллеги объявили , что одной из возможных причин, неправильным расчетом периода полураспада германия, не может быть объяснением.

«Период полураспада верен», — сказал Норман. «Это не объясняет галлиевую аномалию».

Эти результаты оставляют ученым ограниченное количество возможных объяснений галлиевой аномалии. Одна из гипотез предполагает наличие пока не выявленного экспериментального дефекта, который мог бы вызвать эту аномалию. Это может быть неучтенная ошибка в измерениях или неполное понимание некоторых аспектов ядерной физики, влияющих на эксперимент. Альтернативная и более захватывающая возможность заключается в том, что данная аномалия может указывать на фундаментальное открытие в физике элементарных частиц - существование нового типа частиц, называемых стерильными нейтрино. Стерильные нейтрино изначально были предложены для объяснения того, почему массы трех известных нейтрино столь малы, но они также могут объяснить хотя бы часть невидимой «темной материи», заполняющей космос.

«Мы не можем найти какую-либо значительную неопределенность в наших экспериментальных процедурах», — сказал Владислав Баринов, физик-частиц из Института ядерных исследований Российской академии наук, который работает над экспериментом на Кавказе. «Это новый тип нейтрино? Мы не знаем».

Деревня Нейтрино

На высоте Холодной войны, до падения Берлинской стены в 1989 году и последующего распада Советского Союза, возникло маловероятное партнерство в виде эксперимента SAGE , Советско-Американского галлиевого эксперимента. «В Советском Союзе была феноменальная группа теоретических ученых», — сказал Стивен Эллиотт, ядерный физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории, который работал над проектом. Но им не хватало денег и доступа к определенным технологиям, которые сделали бы SAGE возможным, добавил он. «Лос-Аламос мог предоставить такие ресурсы». SAGE был построен в Баксанской нейтринной обсерватории , нейтринной физической установке, построенной в 1960-х и 1970-х годах внутри горы в Баксанской долине в России, примерно в 5 километрах от границы с Грузией. Гора Андырчи высотой 4 000 метров защищала установку от космических лучей и других источников шума, что позволило проводить точные эксперименты с нейтрино.

Недалеко расположенная жилая зона, называемая Деревней Нейтрино, служила домом для семей ученых, работающих на установке, а также для международных ученых, таких как Эллиотт. «Я ездил туда несколько раз», — сказал он. «Это было приключение».

SAGE начался в 1989 году и продолжался более 20 лет, несмотря на попытки российского правительства продать его галлий , драгоценный металл, который жидок при комнатной температуре. Проект был разработан для исследования проблемы солнечных нейтрино, измеренного дефицита нейтрино, исходящих от солнца. В частности, ученые обнаружили нехватку электронных нейтрино, одного из трех известных типов, или «ароматами». Эта проблема была окончательно решена в 2000-х годах благодаря Нобелевской премии за открытие того, что нейтрино осциллируют между ароматами во время своего путешествия. К тому времени, когда многие из электронных нейтрино от солнца достигают Земли, они становятся чем-то другим.

В SAGE использовали резервуар с 57 метрами тонн галлия. Входящие электронные нейтрино время от времени соединялись с нейтроном внутри атома галлия и превращали его в протон, превращая галлий в германий. Ученые подсчитывали атомы германия в процессе извлечения, который длился месяц. Они выбрали галлий для эксперимента, потому что у него низкий порог для этой реакции, сказал Эллиотт. Аналогичный эксперимент начался в Италии в 1991 году под названием Gallex. В середине 1990-х годов исследователи модифицировали оба эксперимента, чтобы использовать нейтрино от радиоактивных элементов. Они надеялись избежать неизвестных ошибок, связанных с проблемой солнечных нейтрино. Но оба эксперимента дали примерно на 20% меньше германия, чем ожидалось, — неожиданные результаты, которые не могли быть вызваны проблемой солнечных нейтрино. «Они точно знали активность источника и сколько нейтрино производится», — сказал Инвук Ким, ядерный физик из Лос-Аламоса. Вскоре эта загадочная несоответствие получила название: галлиевая аномалия. «Это было действительно удивительно», — сказал Баринов.

Продолжение эксперимента, начатое в Баксане в 2014 году под названием BEST (Баксанский эксперимент на стерильных переходах), использует две камеры с галлием вместо одной, чтобы определить, могла ли аномалия быть объяснена расстоянием от источника нейтрино. «BEST был построен для разрешения этого напряжения», — сказал Баринов, который работает над экспериментом с 2015 года. Но обе камеры продолжают показывать недостаток по сравнению с тем, что предсказывают модели. «Это действительно необычный результат», — сказал он.

Теория полураспада

Повторные результаты от BEST продолжают показывать аномалию вплоть до 2022 года . Одна камера содержала только 79% ожидаемого количества германия, другая — всего 77%. «Все надеялись, что аномалия исчезнет», — сказал Вик Хакстон, теоретический физик из Беркли. «Все еще нет четкого понимания, что происходит».

Была предложена возможная объяснение: что период полураспада германия-71 (конкретного изотопа, производимого в эксперименте), измеренный в 1985 году как 11.43 дня, на самом деле был длиннее. Этот же константа управляет скоростью распада германия-71 и скоростью, с которой галлий захватывает нейтрино для производства германия. Это означает, что более длительный период полураспада герм ания-71 подразумевал бы более низкую скорость захвата нейтрино и, следовательно, производства германия, что могло бы объяснить нехватку германия, наблюдаемую в SAGE, Gallex и BEST. Норман и его коллеги опубликовали переисследование этого полураспада в Physical Review C в конце мая. Используя ядерный реактор в Центре ядерных исследований Макклеллана при Калифорнийском университете в Дэвисе, они облучили «очень чистый материал германия», сказал Норман, производя германия-71. Затем они анализировали образцы в течение 80 дней, чтобы увидеть, сколько времени требуется для распада атомов.

Они пришли к периоду полураспада 11.468 дней, что крайне близко к измерению 1985 года, исключив полураспад как объяснение галлиевой аномалии. Хотя никто никогда не считал первоначальное измерение периода полураспада сильно неверным, исследователи все же сочли необходимым его проверить. «Это было измерение, которое нужно было сделать», — сказал Джонс.

Другое предложенное объяснение заключалось в том, что физики неправильно рассчитали вероятность взаимодействия нейтрино с галлием. Но в сентябре 2023 года Хакстон и его коллеги также исключили эту возможность . «Вы не можете избавиться от аномалии», — сказал он.

Это ставит физиков в неудобное положение. Либо есть еще какая-то ошибка, о которой никто не думал, либо, как выразился Хакстон, «происходит что-то необычное с нейтрино». Например, эксперименты могут указывать на спорный дополнительный тип нейтрино, не обнаруживаемый большинством других экспериментов, который также может помочь объяснить темную материю.

Стерильные нейтрино

Три известных типа (или "аромата") нейтрино - электронное, мюонное и тау-нейтрино - все в миллионы раз легче электронов. Они взаимодействуют с другими элементарными частицами посредством слабого ядерного взаимодействия, что позволяет их обнаруживать. Стерильные нейтрино, напротив, теоретически взаимодействовали бы только через гравитацию. Если бы они оказались значительно тяжелее известных нейтрино, их существование могло бы объяснить чрезвычайную легкость обычных нейтрино через обратную зависимость, описываемую гипотетическим "механизмом качелей". Согласно этой теории, чем тяжелее стерильные нейтрино, тем легче должны быть обычные нейтрино, и наоборот.

Галлиевая аномалия, однако, указывает на более легкий стерильный нейтрино, при котором электронные нейтрино, испускаемые радиоактивным источником, иногда осциллируют в стерильное нейтрино, которое не взаимодействует с галлием.

В некоторых теоретических моделях легкие стерильные нейтрино рассматриваются как потенциальный компонент темной материи во Вселенной. Однако они не могут составлять всю темную материю, поскольку их масса недостаточно велика для создания наблюдаемых гравитационных эффектов. Темная материя играет ключевую роль в формировании крупномасштабной структуры Вселенной, влияя на распределение галактик и скопления материи. Легкие стерильные нейтрино, будучи слишком легкими, не могли бы в полной мере объяснить эти наблюдаемые космологические явления. Тем не менее, они могли бы составлять определенную долю темной материи, дополняя другие, более тяжелые ее компоненты. Вселенную так, как это делает темная материя. «Они могли бы быть небольшой частью ее», — сказала Линдли Уинслоу , экспериментальный ядерный и физик элементарных частиц из Массачусетского технологического института.

Другие попытки найти стерильные нейтрино, изучая паттерны осцилляций нейтрино, в значительной степени оказались безуспешными. Число исследователей, поддерживающих гипотезу легких стерильных нейтрино, сокращается», — сказала Уинслоу. Кеворк Абазацян , астрофизик из Калифорнийского университета в Ирвине, сказал, что они «аутсайдеры в сообществе физиков элементарных частиц».

Если они действительно существуют, легкие стерильные нейтрино будут «разрушать» наше текущее понимание космологии, включая представления о том, как формировались атомы в первые минуты после Большого взрыва, и теорию космического микроволнового фона, остаточного тепла от начального расширения Вселенной. «Вы ожидали бы увидеть присутствие этого дополнительного нейтрино», — сказал Абазацян. Однако, он добавил, что недавние исследования показали, что альтернативные модели последовательности событий в первые минуты «могут включать легкие стерильные нейтрино».

В отсутствие других объяснений галлиевой аномалии, легкие стерильные нейтрино остаются возможностью, которую мы просто не можем исключить. «Я был несколько скептичен по поводу гипотезы стерильного нейтрино, но не могу сказать, почему она неправильна», — сказал Эллиотт. «Никогда не было убедительного объяснения, почему эксперимент мог быть ошибочным».

Хотя ситуация в мире «усложнила дела», по словам Эллиотта, сотрудничество между США и Россией по проекту BEST все еще продолжается. Баринов говорит, что команда в Баксане рассматривает возможность использования нового источника нейтрино, такого как цинк, для дальнейшей проверки результата. Возможно, они даже построят третью камеру с галлием вокруг источника. Пока что аномалия остается неразрешенной, и на горизонте не видно решения. «Это ставит нас всех в тупик», — сказал Хакстон.