A részecske, amely nem létezett III. Rész: A fizika visszatérése; Sárkányok élnek itt
Az 1990-es évek elején kísérleti bizonyíték volt egy új részecskére, a 17 keV-os neutrínóra. A történet harmadik részében az elméleti fizikusok reakcióját szeretném megvizsgálni erre a lehetőségre, egy olyan történetre, amelyhez nagyon személyes viszonyom van.
Amikor a múlt hétvégén elkezdtem írni ezt a történetet, éppen átnéztem az elméleti munkát, de még nem láttam. Ha tudtam volna, mibe keverem magam, talán jobban befejezném ezt a történetet a II. Rész után - az elméleti elemi részecskefizikával foglalkozó utolsó komoly foglalkozásom egy ideje volt, és olyan dolgok, mint a majoronok, a fűrészgépek, az MSW mechanizmusok, Leptoquarks, Zeldovich-Konopinski-Mahmoud-Lepton-töltések miatt a fejem alaposan felzúgott.
De ne aggódj - nem megyek túl mélyre a részletekbe, csak próbáld megmutatni, hogy a teoretikusok hogyan bántak az új részecskével. Ha ez túl technikussá válik számodra, csak ugorj le egyenesen az utolsó szakaszra, ott elmondom, miért érdekel a 17 keV-os neutrínó, és megpróbálok általános következtetéseket levonni, ahogyan a II. Rész végén is tettem.
Mi lehet a 17 keV neutrino?
Amit nem lehetett, az viszonylag egyértelmű volt: az elektron, a müon és a tauon neutrínók mellett egy negyedik neutrino aroma. (Néha Tau-Neutrino-t írok, néha Tauon-Neutrino-t. Mindkettő ugyanaz.) A CERN-ben végzett kísérletek ezt határozottan kizárták, mert ezt a neutrínót látni kellett volna, amikor a Z-bozon lebomlott. A Z bozon bomlásából arra lehet következtetni, hogy csak három neutrino íz lehet. (A negyedik csak akkor képzelhető el, ha a neutrínó tömege azonos nagyságrendű, mint a Z bozon, és sokkal nehezebb lenne, mint a Z bozon, de ez nem felel meg a 17 keV értékének, mert a Z bozon körülbelül 5 milliószor nehezebb.)
Lehet, hogy a 17 keV neutrino csak a tau neutrino? Ehhez az elektron-neutrínónak képesnek kell lennie tau-neutrínóvá válni.
Vegyes részecskeállapotok
A 17 keV-os neutrínónak (amely az egyszerűség kedvéért most úgy tesz, mintha létezne, különben a szöveg itt teljesen olvashatatlan lesz a kötőszavak rengeteg száma miatt) a β-bomlás során kell felmerülnie. A β-bomlás során egy neutron normálisan protonra, elektronra és elektron-neutrinná bomlik, de az esetek körülbelül 1% -ában (az 1992-es adatok szerint) az elektron-neutrino helyett 17 keV-os neutrínót kell létrehozni.
Ennek egyik lehetősége az lenne, ha először létrehoznánk egy elektron-neutrínót, amely aztán átalakul a 17 keV-os neutrínóvá. Az ilyen részecske-átalakítás nem új keletű a fizikában - az 50-es és 60-as években a semleges K mezon (kaon) fejfájást okozott a fizikusoknak, mert nyilvánvalóan spontán módon átalakulhat saját antirészecskéjévé. Ez az átalakulás kvantummechanikai jelenség.
A neutrino esetében így gondolhatunk rá: az elektron neutrino az a részecske, amely az elektron emissziójához tartozik. Mivel az elektron, a müon és a tauon megkülönböztetését „íznek” is nevezik, az elektronneutrino az elektronízhez tartozik - a fizikusok szerint ez egy saját kvantummechanikai állapot. Ha spontán átalakul egy másik neutrínóvá (a 17 keV-os neutrínóvá), akkor a folyamat során megváltoztatja tulajdonságait, tehát nem stabil. A bizonytalansági összefüggésből ebből arra lehet következtetni, hogy az elektron neutrino tömege nem rögzített. A tömeg sajátállapotai tehát nem egyben az aroma sajátállapotai.
Ez a régi jó bizonytalansági elv a kvantummechanikából, kissé más formában: Ha megmérem a neutrino „ízét” (és ezt közvetetten teszem β-bomlással, mert megfigyelem az elektront), akkor annak tömege nem rögzített. Ha megmérem annak tömegét (vagy energiáját), akkor megint az íz nincs egyértelműen meghatározva. Ezen a képen az elektron-neutrino egy könnyű neutrino (ami nem ízesítő sajátállam) és a 17 keV-os neutrino keveréke lenne. Az energia sajátállapotában szabadon lebegő neutrínó ezért megváltoztatja az ízét.
(Egyébként ez a mechanizmus valóban létezik - amint ma tudjuk, az elektron neutrínók átalakulhatnak müon vagy tauon neutrínókká.)
Tehát el lehet képzelni, hogy az elektronneutrino az esetek 1% -ában tau-neutrínóvá alakul át, miközben még a detektorban van. Ez egyszerű és elegáns megoldás lenne a problémára. Sajnos ez nem könnyű. Ennek megértéséhez vessünk egy pillantást az akkori tudásszintre.
Neutrino-kutatás az 1990-es évek elején
A 17 keV neutrino mellett a neutrínókutatásnak még egy nyitott problémája volt az 1990-es évek elején: a nap neutrínók mérései azt mutatták, hogy a neutrinok száma túl alacsony. Mivel a földi detektorok csak elektron-neutrínókat tudtak mérni, ennek egyik magyarázata az volt, hogy az elektron-neutrínók átalakultak a nap felől hozzánk vezető úton, keverési mechanizmusban, amint az imént kifejtettem.
Azt sem tudták még, hogy a neutrínóknak van-e tömegük. A két probléma összefügg - a tömeg nélküli neutrínók nem tudnak egymásba átalakulni. Ez világosan megmagyarázható: A tömeg nélküli neutrínók fénysebességgel repülnek. A relativitáselmélet szerint nincs idő a repülés során elhaladni, ezért nem tudják átalakítani önmagukat. (Ez az érvelés elméletileg természetesen nem teljesen tiszta, de itt ez nem számít.)
Érdekes volt az 1987A szupernóva megfigyelése is. Ennek során 24 neutrínót detektáltak a földön - ez nem hangzik olyan soknak, de ha visszaszámoljuk, milyen messze volt a föld a szupernóvától, és milyen kicsi a valószínűsége annak, hogy a neutrínót ténylegesen megmérik a detektorban, akkor ezt meg fogja találni a szupernóva energiájának nagy részét neutrínók formájában veszíti el.
Problémák a 17 keV neutrínóval
Lehet, hogy a 17 keV neutrino csak a tau neutrino? Pontosabban, a 17 keV neutrino lehet olyan tömegállapot, amely lényegében megfelel a tau zamatnak, az elektron ízének kis keverékével, mert a tau és az elektron neutrínóknak egymásba kell átalakulniuk?
A szupernóva-robbanás adataiból arra lehet következtetni, hogy a szupernóva milyen gyorsan sugárzott energiát. Ha az elektronneutrino tau-neutrínóvá alakul át, a β-bomlás 1% -os valószínűséggel, akkor a szupernóvában elég sok tau-neutrino keletkezik. Az adatokkal való összehasonlítás azt mutatta, hogy ebből levezethető a tau neutrino tömegének felső határa - 30 keV volt, tehát csak kompatibilis volt az adatokkal.
Egy másik probléma merült fel az ősrobbanás figyelembevételével: Ha 17 keV neutrínó képződött ott nagy frekvenciával, akkor tömegük miatt az univerzum korán összeomlott. Ezenkívül befolyásolták volna a kozmikus háttérsugárzást - spektrumának akkor teljesen másnak kellene kinéznie, mint a mért. A probléma csak akkor oldható meg, ha maga a 17 keV-os neutrino képes más részecskékké bomlani.
Erre vannak lehetőségek a standard modellen belül, de a tau neutrino élettartama a standard modellben nagyságrendekkel hosszabb, mint az univerzum kora, így a bomlás túl lassú lenne ahhoz, hogy megakadályozza az univerzum összeomlását közvetlenül az ősrobbanás után.
A standard modellt ezért ki kell bővíteni, a 17 keV-os neutrino mindenképpen új fizikát tartalmaz. Ha ez a tau neutrino, akkor új bomlási lehetőségekre van szükség. Ha nem a tau neutrino, akkor mi van?
Spekuláció
Foot és King készített egy modellt, amelyben a 17 keV neutrino valójában (lényegében) a tau neutrino. Annak érdekében, hogy összhangban legyen a megfigyelésekkel, még néhány részecskét kellett bevinni, amelyek mindegyike nagyon nehéz volt (több mint 200 GeV), ezért kísérletileg nem figyelték meg őket. A modell egy másik problémával is foglalkozott: bebizonyította, hogy az elektromos töltést kvantálni kell.
A Nobel-díjas Glashow-nak volt egy hasonló modellje, amelyben hat neutrínó állapot volt, amelyek bonyolult módon keveredtek. A 17 keV-os neutrino úgynevezett majoronokká válhat, amelyek töltés nélküli és szinte megfigyelhetetlen elméleti részecskék. A következő években nagyobb számban állítottak fel hasonló modelleket, ezek mindegyike kissé különbözik abban, hogy pontosan hogyan keverednek a különböző neutrino-állapotok.
Ezen modellek egy része egyszerre oldotta meg a szoláris neutrínók problémáját - a neutrínókat olyan módon keverték össze, hogy a naptól a földig tartó úton ingadoztak, és ezért nem mind itt láthatók.
Joshipura készített egy szép modellt, amelyben a 17 keV-os neutrino látszólag nem oldotta meg a nap-neutrínók problémáját (sajnos csak az absztrakthoz férek hozzá, így nem vagyok egészen biztos abban, hogy igen), de legalábbis a híres sötét anyag felelős.
Papageorgiu és Ranfone különböző lehetőségeket vizsgált. Az egyikben a 17 keV neutrino egy másik hipotetikus részecskévé, az axiónává bomlik. Egy másik publikáció azt vizsgálta, hogy a 17 keV-os neutrino nem fér-e el az úgynevezett GUT-elméletekben (Grand Unified Theories), amelyek ötvözték az elektromos gyengeséget és az erős erőt, és amelyekről már ismert, hogy egy zsák új részecskét postulálnak . A válasz a következő volt: Működik, de sok további feltevést kellett beépítenie, hogy minden összhangban legyen a mérésekkel.
Egy teljesen más elképzelés magában foglal más hipotetikus részecskéket, az úgynevezett „leptoquarkokat”. A leptoquarkok átalakíthatják a leptonokat (beleértve a neutrínókat is) kvárokká és fordítva. Néhány GUT modellben megjelennek, és nyilvánvalóan felhasználhatók a 17 keV neutrino és a mérések összeegyeztetésére is.
Több modellben a 17 keV-os neutrino egy elektron-neutrino és egy új részecske, egy „steril” neutrino keveréke. Sterilnek hívják, mert egyáltalán nem lép kölcsönhatásba az anyaggal. (Kivéve tömegét.) Choudhury egy új cikkben bemutat néhány új leptonállapotot, amelyek végül a 17 keV neutrínót eredményezik, amely elég gyorsan bomlik, hogy elkerülje a kísérletekkel kapcsolatos problémákat.
Lehet, hogy az általános relativitáselmélet valahogy bele is játszik a problémába? Mindenesetre találtam két olyan írást is, amelyekben Planck-effektusok (vagyis a hosszúsági skálára gyakorolt hatások, ahol a gravitáció kvantumhatásai fontosak) érintettek. A Planck-skála gravitációs hatásainak felelősnek kell lenniük a neutrínó tömegekért. Ennek eredményeként nagyon kicsi a neutrino tömeg (lényegesen kisebb, mint 1 eV). Annak érdekében, hogy a 17 keV neutrino is befogadható legyen, ismét be kell vezetni egy további részecskét; a 17 keV-os neutrino ekkor az elektron-neutrino és az új részecske vegyes állapota, amely nem is lép kölcsönhatásba az anyaggal.
Összességében láthatja, hogy elég sok kísérlet történt a 17 keV-os neutrino befogadására. Az olyan problémákat, mint a világegyetem lehetséges összeomlása vagy a szupernóva neutrínóit, az új fizika ennek megfelelően történő adaptálásával oldották meg. Igazságosság kedvéért azt is el kell mondani, hogy voltak negatív publikációk is, amelyek azt mutatják, hogy bizonyos modellek biztosan nem működnek.
Wietfeldt és Norman áttekintésük során a következő következtetésre jutottak.
Tisztelet az elméleti ötletességnek, hogy a súlyos korlátok ellenére számos életképes, ha kissé kitalált modellt fejlesztettek ki a 17 keV neutrino számára.
Az elméleti hozzáértésnek köszönhető, hogy a nehéz peremfeltételek ellenére számos hasznos, bár kissé mesterséges modellt fejlesztettek ki a 17 keV-os neutrínóra.
A 17 keV neutrino és én
A 17 keV-os neutrino „fénykorát” akkor élte meg, amikor diplomamunkámat, majd elméleti fizika doktori disszertációmat írtam a hamburgi DESY-ben.
Abban az időben az úgynevezett előnyomtatványokat (még mielőtt azok megjelentek volna a magazinokban) még nem terjesztették előre a fizikai közösség számára az internet szerverein keresztül, hanem papíron küldték el az egész világon. Ebéd után minden hétfőn elment a könyvtárba, és megnézte az új nyomatokat, hogy van-e valami érdekes.
Tehát először hallottam a 17 keV-os neutrínóról. Miután elkezdtem erre figyelni, észrevettem, hogy legalább néhány hetente volt egy új elméleti előnyomtatás a 17 keV-os neutrínóra és annak illesztésére a fizikába. Számomra úgy tűnt, hogy minden elméleti szakember be tudja építeni az új részecskét saját személyes kedvenc elméletébe oly módon, hogy az „teljesen természetes” eredménnyel járjon - a „természetes” valójában egy olyan szó, amellyel itt gyakran találkoznak az elméleti cikkek. Ha újra megnézem a fenti rövid áttekintést, akkor ez a benyomás valószínűleg nem volt teljesen téves.
Amikor a részecske nem létezett (nem emlékszem pontosan, mikor tudtam meg, de azt hiszem, hogy csak 1995 volt - nem olvastam olyan gyakran kísérleti előnyomatokat, mint elméleti), ez nagyon elgondolkodtatott. Valóban lehetséges egy teljesen önkényes részecskét beilleszteni a fizikába, és a kibővített fizika jelenlegi modelljeit (GUT-k, szuperszimmetriák és bármi, ami van) egyiket sem cáfolja ez a részecske? És ha ez a helyzet, az elméleti fizika még mindig valódi tudomány?
Ezek a kérdések, amelyeket manapság nagyon hasonlóan tesznek fel a húrelmélettel kapcsolatban, akkor aggasztóak voltak - vajon az elméleti fizika modelljei még hamisíthatók is? Sok oka volt annak, hogy 1996-ban úgy döntöttem, hogy az elméleti fizika helyett valami mást csinálok, de az egyik a 17 keV-os neutrino volt.
Miután az elmúlt napokban elolvastam és átgondoltam számos akkori kiadványt, nem vagyok biztos benne, hogy akkor nem voltam-e túl pesszimista. Hogy őszinte legyek, a standard modell már tele van tetszőleges számokkal és feltételezésekkel. (Ennek ellenére mindazzal kapcsolatban, amit megmagyaráz, még mindig hihetetlenül jó elmélet). A 17 keV neutrino ilyen vagy olyan módon történő beépítése még néhányat hozzáad ezekhez a feltételezésekhez. Ebben a tekintetben a standard modellre és annak esetleges kiterjesztésére vonatkozó kritikám talán túlzó volt.
Ugyancsak nehezebb volt a 17 keV-os neutrínót beépíteni az elméletbe oly módon, hogy az 1987A szupernóva-robbanás adatai és az ősrobbanás modelljei is helyesek maradtak. Erre a célra szigorúan korlátozni kellett a 17 keV neutrino tulajdonságait az élettartam stb. Tekintetében. Minden bizonnyal meg kell mondani, hogy a teoretikusok aktívan megpróbálják megtalálni az ilyen korlátozásokat, és figyelembe veszik azokat a modelljeikben. Úgy tűnik, sikerült olyan modelleket találniuk, amelyek összhangban voltak az összes megfigyeléssel. Számomra kérdésesnek tűnik, hogy ezek a modellek valóban fennmaradhattak-e, ha tovább megvizsgálják őket. Talán további kutatások azt mutatták volna közülük, hogy megoldatlan problémákat tartalmaznak.
Végül valószínűleg hasonló a kísérleti munka következtetéséhez: Lehet, hogy az egyes teoretikusok túl optimisták voltak az új részecske személyes kedvenc elméletével való összeegyeztethetőségét illetően. Mint a kísérleti fizikusoknál, természetesen sok hírnévre van szükség, ha elsőként integrálhat egy részecskét egy modellbe. Néhány publikáció nem biztos, hogy ellenállt a jövőbeni vizsgálatnak. Ha 1993-ban nem cáfolták volna a 17 keV neutrínót, ezeket a publikációkat tovább elemezték volna, következetlenségeket találtak volna, és végül csak a modellek töredéke maradna fenn.
Itt is világossá válik, hogy a tudomány végső soron csak az egyének közötti kölcsönhatásban működik. Egyes tudósok túlzottan lelkesek lehetnek, és időnként figyelmen kívül hagyják a problémákat vagy következetlenségeket - mások azonban az elméleteket finomítani vagy továbbfejleszteni fogják megvizsgálni, és közben feltárják ezeket a problémákat. Mint láttuk, ez a mechanizmus nagyon jól működött a 17 keV-os neutrínóval végzett kísérletek során, és az elméletekben valószínűleg működött volna, ha a részecske túlélte.
Íme néhány publikáció - ha valaki a teljes listát szeretné megszerezni, vagy ha pdf-ekkel akarja teleírni, küldjön egy e-mailt ...
Elena Papageorgiu és Stefano Ranfone
A tömeg-hierarchia puzzle és a 17 keV-os neutrino az univerzális látómező modell keretében
Elena Papageorgiu, Stefano Ranfone,
Neutrino tömegek a megfordított SU (5) x U (1) és az SU (4) x O (4) GUT modellekben
Subhash Rajpoot
Simpson 17 keV-os neutrino modellje
R. Foot, S. F. King
Elektromos töltéskvantálás 17 keV neutrínóval,
L. Bento, J. W. F. Valle
A legegyszerűbb modell a 17 keV neutrino és az MSW effektushoz
Miriam Leurer
A keveretlen 17 keV neutrínón
Eugeni Kh. Akhmedov, Zurab G. Berezhiani, Goran Senjanovic, Zhijian Tao
Planck-skála hatásai a neutrino fizikában
Debajyoti Choudhury
Diszkrét szimmetria, Neutrino mágneses pillanat és a 17 keV Neutrino
Debajyoti Choudhury, Utpal Sarkar,
Új mechanizmus egy 17 keV-os neutrino előállítására
Sidney A. Bludman,. C. Kennedy és P. G. Langacker
Sew-modell előrejelzések a τ-neutrino tömegre