- 26,255
- 46
- 8 Ноя 2022
Как эксперименты по всему миру похоронили главную гипотезу устройства Вселенной.
Нейтрино почти ни на что не действует. У частицы почти нет массы, нет электрического заряда, нет цветового заряда, а значит, и связи с большей частью известных сил природы почти нет. Нейтрино может пролететь сквозь целую планету или звезду и ни разу не столкнуться ни с одним атомом. Но в истории физики именно такие почти неуловимые частицы раз за разом меняли ход научной жизни и заставляли исследователей бросать старые темы ради новых, куда более странных вопросов.
Так произошло и в конце 1990-х, когда физики неожиданно выяснили, что у нейтрино всё-таки есть масса. Для многих это стало поворотным моментом. Тьерри Лассер, который тогда занимался космологией, после этого открытия ушёл в нейтринную физику. Марк Росс-Лонерган вообще собирался стать метеорологом, пока в 2010 году случайная встреча с физикой частиц не заставила его сменить траекторию. За ними последовали тысячи других исследователей. Многие годы они пытались разобраться в природе почти невесомой и почти инертной частицы, которая ведёт себя слишком странно, чтобы оставить её в покое.
Долгое время казалось, что вся цепочка загадок указывает на одно и то же объяснение. В разных экспериментах нейтрино то появлялись там, где их быть не должно, то, наоборот, исчезали. Сама масса нейтрино тоже плохо вписывалась в привычную картину. Всё это постепенно сводилось к одной гипотезе: где-то рядом может скрываться особый тип частицы, так называемое стерильное нейтрино. Причём не абы какое, а вполне определённой массы, примерно на уровне одного или двух электронвольт.
На поиски этой частицы ушли годы. Эксперименты становились всё сложнее, техника всё точнее, а проверок становилось всё больше. Но к концу 2025 года накопилось столько нулевых результатов, что настроение в сообществе резко изменилось. Сейчас большинство физиков склоняется к выводу, что именно стерильного нейтрино с такой массой, на которое надеялись объяснить сразу несколько аномалий, скорее всего, не существует. Для части сообщества это уже звучит почти как приговор всей старой версии гипотезы.
<!--'start_frame_cache_Zg1Ab0'--><div class="banner-detailed"><div class="banner-detailed__shell"><div class="banner-detailed__title">Мы в MAX. Простите. <span>Читайте нас хотя бы там.</span><div class="banner-detailed__arrow"><svg viewBox="0 0 40 40" fill="none" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"><path d="M20.5375 34.4392L22.465 31.7392C22.5739 31.5872 22.7145 31.4607 22.8772 31.3684C23.0399 31.2762 23.2207 31.2205 23.407 31.2052C23.5934 31.1898 23.7809 31.2152 23.9564 31.2796C24.132 31.344 24.2915 31.4458 24.4237 31.578L29.6025 36.758C30.0787 37.2333 30.724 37.5002 31.3969 37.5002C32.0697 37.5002 32.715 37.2333 33.1912 36.758L36.7575 33.1917C37.2328 32.7155 37.4998 32.0702 37.4998 31.3973C37.4998 30.7245 37.2328 30.0792 36.7575 29.603L31.5775 24.4242C31.4453 24.2919 31.3435 24.1325 31.2791 23.9569C31.2147 23.7814 31.1893 23.5939 31.2047 23.4075C31.22 23.2211 31.2757 23.0404 31.368 22.8777C31.4602 22.715 31.5867 22.5743 31.7387 22.4655L34.4387 20.538C34.6405 20.3939 34.7965 20.1947 34.8878 19.9641C34.9791 19.7336 35.0018 19.4816 34.9534 19.2385C34.9049 18.9953 34.7873 18.7713 34.6146 18.5934C34.442 18.4155 34.2216 18.2912 33.98 18.2355L13.5112 13.5117L18.235 33.9805C18.2907 34.2221 18.415 34.4425 18.5929 34.6151C18.7708 34.7878 18.9948 34.9054 19.238 34.9539C19.4812 35.0023 19.7331 34.9795 19.9637 34.8882C20.1942 34.7969 20.3934 34.641 20.5375 34.4392Z" fill="#FFD98C"></path><path d="M34.0751 37.6413C33.3582 38.3389 32.3973 38.7293 31.397 38.7293C30.3966 38.7293 29.4358 38.3389 28.7189 37.6413L23.4826 32.4663L21.5539 35.165C21.2699 35.5626 20.8773 35.8698 20.423 36.0497C19.9688 36.2295 19.4723 36.2744 18.9931 36.179C18.514 36.0836 18.0726 35.8518 17.7219 35.5117C17.3713 35.1715 17.1263 34.7373 17.0164 34.2613L12.2926 13.7925C12.2447 13.5858 12.2502 13.3702 12.3086 13.1662C12.367 12.9622 12.4764 12.7764 12.6264 12.6263C12.7765 12.4763 12.9623 12.3669 13.1663 12.3085C13.3703 12.2501 13.5859 12.2446 13.7926 12.2925L34.2614 17.0175C34.7374 17.1271 35.1717 17.3719 35.512 17.7225C35.8523 18.073 36.0841 18.5144 36.1795 18.9935C36.275 19.4726 36.23 19.9691 36.0501 20.4233C35.8701 20.8775 35.5628 21.27 35.1651 21.5538L32.4614 23.54L37.6414 28.7188C38.3498 29.43 38.7476 30.393 38.7476 31.3969C38.7476 32.4008 38.3498 33.3637 37.6414 34.075L34.0751 37.6413ZM35.8751 30.4863L30.6951 25.3075C30.4344 25.047 30.2336 24.7328 30.1068 24.3868C29.9799 24.0407 29.9299 23.6712 29.9604 23.3039C29.9908 22.9366 30.101 22.5804 30.2831 22.26C30.4653 21.9396 30.7151 21.6628 31.0151 21.4488L33.6989 19.4488L15.1851 15.1763L19.5001 33.7275L19.5139 33.7113L21.4414 31.0125C21.6555 30.7124 21.9325 30.4626 22.253 30.2805C22.5735 30.0983 22.9298 29.9882 23.2972 29.9577C23.6646 29.9272 24.0342 29.9772 24.3803 30.1041C24.7264 30.231 25.0407 30.4318 25.3014 30.6925L30.4864 35.875C30.728 36.1163 31.0555 36.2518 31.397 36.2518C31.7385 36.2518 32.066 36.1163 32.3076 35.875L35.8751 32.3075C36.1161 32.0657 36.2514 31.7383 36.2514 31.3969C36.2514 31.0555 36.1161 30.728 35.8751 30.4863ZM8.14636 9.385C7.98292 9.38706 7.82069 9.35675 7.66901 9.29583C7.51733 9.2349 7.37921 9.14455 7.26261 9.03L4.58011 6.3475C4.35242 6.11175 4.22643 5.796 4.22927 5.46825C4.23212 5.1405 4.36358 4.82699 4.59534 4.59523C4.8271 4.36347 5.14062 4.23201 5.46836 4.22916C5.79611 4.22631 6.11186 4.3523 6.34761 4.58L9.03012 7.2625C9.20107 7.43787 9.31674 7.65959 9.36277 7.90013C9.4088 8.14068 9.38315 8.38944 9.28901 8.61553C9.19487 8.84162 9.03639 9.03508 8.83325 9.17188C8.63011 9.30867 8.39126 9.38278 8.14636 9.385ZM17.9726 9.03C17.7362 9.26044 17.419 9.3894 17.0889 9.3894C16.7587 9.3894 16.4416 9.26044 16.2051 9.03C15.9708 8.79559 15.8391 8.47771 15.8391 8.14625C15.8391 7.8148 15.9708 7.49691 16.2051 7.2625L18.8876 4.58C19.0029 4.46061 19.1409 4.36538 19.2934 4.29987C19.4459 4.23436 19.6099 4.19988 19.7759 4.19844C19.9418 4.197 20.1064 4.22862 20.2601 4.29147C20.4137 4.35432 20.5532 4.44714 20.6706 4.56451C20.788 4.68187 20.8808 4.82144 20.9436 4.97506C21.0065 5.12868 21.0381 5.29328 21.0367 5.45925C21.0352 5.62523 21.0008 5.78925 20.9352 5.94176C20.8697 6.09426 20.7745 6.23219 20.6551 6.3475L17.9726 9.03ZM6.34761 20.655C6.11146 20.886 5.79423 21.0154 5.46386 21.0154C5.1335 21.0154 4.81627 20.886 4.58011 20.655C4.34578 20.4206 4.21413 20.1027 4.21413 19.7713C4.21413 19.4398 4.34578 19.1219 4.58011 18.8875L7.26261 16.205C7.37792 16.0856 7.51585 15.9904 7.66836 15.9249C7.82086 15.8594 7.98489 15.8249 8.15086 15.8234C8.31684 15.822 8.48144 15.8536 8.63506 15.9165C8.78868 15.9793 8.92824 16.0721 9.04561 16.1895C9.16297 16.3069 9.25579 16.4464 9.31864 16.6001C9.38149 16.7537 9.41312 16.9183 9.41168 17.0843C9.41024 17.2502 9.37575 17.4143 9.31024 17.5668C9.24473 17.7193 9.1495 17.8572 9.03012 17.9725L6.34761 20.655ZM12.6176 7.54375C12.2861 7.54375 11.9682 7.41205 11.7337 7.17763C11.4993 6.94321 11.3676 6.62527 11.3676 6.29375V2.5C11.3676 2.16848 11.4993 1.85054 11.7337 1.61612C11.9682 1.3817 12.2861 1.25 12.6176 1.25C12.9491 1.25 13.2671 1.3817 13.5015 1.61612C13.7359 1.85054 13.8676 2.16848 13.8676 2.5V6.29375C13.8676 6.62527 13.7359 6.94321 13.5015 7.17763C13.2671 7.41205 12.9491 7.54375 12.6176 7.54375ZM2.50011 11.3675H6.29387C6.62539 11.3675 6.94333 11.4992 7.17775 11.7336C7.41217 11.968 7.54387 12.286 7.54387 12.6175C7.54387 12.949 7.41217 13.267 7.17775 13.5014C6.94333 13.7358 6.62539 13.8675 6.29387 13.8675H2.50011C2.16859 13.8675 1.85065 13.7358 1.61623 13.5014C1.38181 13.267 1.25011 12.949 1.25011 12.6175C1.25011 12.286 1.38181 11.968 1.61623 11.7336C1.85065 11.4992 2.16859 11.3675 2.50011 11.3675Z" fill="#272727"></path></svg> <!--'end_frame_cache_Zg1Ab0'--> Парадокс в том, что исчезновение любимого объяснения сделало картину не проще, а запутаннее. Аномалии никуда не делись. Нейтрино по-прежнему ведут себя так, будто в одних установках умеют пропадать, а в других возникать заново. И самое главное, сама масса нейтрино всё ещё требует новой физики. Стандартная модель, главный рабочий набор правил для известных частиц и взаимодействий, не умеет естественно объяснить, почему у нейтрино вообще есть масса. Поэтому даже после неудачи со стерильным нейтрино влияние этой частицы на физику никуда не исчезло. Просто теперь вопросов стало больше, а красивых коротких ответов меньше.
Вообще почти всё, что физики знают о нейтрино, выросло из экспериментов, в которых что-то не сходилось. По сути, вся история этой области построена на аномалиях. Так было с самого начала. В 1930 году Вольфганг Паули пытался понять странность в радиоактивных распадах. Когда атом одного элемента превращается в атом другого, часть энергии уходит с испускаемым электроном. Но в некоторых распадах электрон вылетал не с той энергией, которую ожидали увидеть. Чего-то не хватало. Паули предположил, что недостающую энергию уносит ещё одна, невидимая частица. Она не должна была иметь электрического заряда и, как тогда думали, не имела массы. Взаимодействовать с веществом такая частица могла только через слабое взаимодействие, то самое, которое и позволяет одним субатомным частицам превращаться в другие.
Слабое взаимодействие получило своё название не случайно. Оно настолько слабое, что нейтрино могло бы пролететь через световые годы свинца и не изменить ни одного атома. Паули даже спорил на ящик шампанского, что никто никогда не сможет такую частицу поймать. Но примерно через 20 лет экспериментаторы всё же нашли явные следы нейтрино у ядерного реактора на станции Savannah River в Южной Каролине. После этого физики быстро поняли: если уж эту почти несуществующую по меркам взаимодействий частицу удаётся регистрировать, из неё можно выжать куда больше информации, чем казалось.
Следующей большой целью стало Солнце. Если ядерные реакторы на Земле рождают нейтрино, то Солнце делает то же самое в гигантском масштабе. В конце 1960-х Рэймонд Дэвис-младший установил в шахте почти на полуторакилометровой глубине резервуар на 100 тысяч галлонов жидкости, похожей на ту, что используют в химчистке. Там он собирался ловить солнечные нейтрино. Джон Баколл рассчитал, сколько таких частиц установка должна увидеть. Но реальный счёт оказался в 3 раза ниже. Либо с Солнцем что-то не так, либо нейтрино где-то исчезают по дороге.
На разгадку ушло 30 лет. Зато ответ оказался громким. Эксперименты Super-Kamiokande в Японии и канадская обсерватория SNO показали, что нейтрино действительно исчезают, но не буквально. По дороге они меняют тип. У нейтрино есть 3 разновидности: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Эксперимент Дэвиса был чувствителен в основном к одному виду, а частицы успевали превратиться в другой. Так физики впервые надёжно увидели нейтринные осцилляции , то есть переходы одного типа в другой.
Именно тут начались проблемы уже не с экспериментом, а с самой теорией. Осцилляции возможны только в том случае, если массы разных типов нейтрино немного отличаются друг от друга. Но Стандартная модель исходно утверждала, что масса у всех нейтрино должна быть нулевой. Открытие осцилляций означало, что эта часть модели не работает.
Причина уходит в сам способ, которым теория описывает массу частиц. В языке квантовой физики частица ведёт себя как возмущение поля. Частица с массой обычно получается из связи двух компонентов: левого и правого. Электрон, например, имеет массу потому, что левый и правый варианты у него связаны. А с нейтрино долгое время видели только левую компоненту. Поэтому считалось, что масса у него невозможна. Наблюдения Super-Kamiokande и SNO разрушили этот вывод и оставили физикам вопрос, который так и не закрыт до сих пор: откуда у нейтрино берётся масса.
Самый прямой ответ выглядел заманчиво. Возможно, существует четвёртый тип нейтрино, связанный с правым полем, почти полностью невидимый для привычных экспериментов. Слабое взаимодействие действует только на левые поля, поэтому правое нейтрино не чувствовало бы на себе почти ничего из набора сил Стандартной модели. Из-за этой полной отстранённости его и назвали стерильным.
Был и другой путь. Можно было предположить, что обычные левые нейтрино в каком-то смысле не совсем чисто левые и умеют сами обеспечивать себе массу. Но и этот вариант ломал исходную структуру Стандартной модели. А самый простой ремонт снова приводил к идее дополнительного, в основном правого, стерильного нейтрино. Поэтому с теоретической стороны всё выглядело почти подозрительно удобно: 2 самых естественных способа объяснить массу нейтрино вели примерно в одно место.
Вскоре под эту картину начали подстраиваться и новые аномалии. В 1990-х эксперимент LSND в Лос-Аламосе увидел слишком много электронных нейтрино в пучке, где в основном ожидались мюонные. Позже похожий избыток обнаружил Miniboone в Fermilab. Так родились аномалии LSND и Miniboone. Сигнал выглядел так, будто нейтрино превращаются друг в друга слишком быстро и слишком охотно.
Почти тогда же в России и Италии физики ставили рядом с большими объёмами жидкого галлия мощные радиоактивные источники, чтобы проверить работу нейтринных детекторов. Галлий хорошо подходит для ловли электронных нейтрино, но счётчики снова показали нехватку, примерно на 20% меньше ожидаемого. Так появилась галлиевая аномалия. В 2022 году более точный эксперимент снова нашёл аргументы в её пользу.
Потом добавилась ещё одна неприятность. В 2011 году выяснилось, что физики, похоже, занижали расчётное число электронных антинейтрино, которые должны рождаться в ядерных реакциях. Из-за этого старые измерения возле реакторов, которые раньше казались нормальными, теперь стали выглядеть как дефицит. Так появилась реакторная аномалия.
Все 3 истории указывали на знакомый мотив: нейтрино снова появляются и исчезают. Но теперь речь шла уже не о превращениях на огромных расстояниях между Солнцем и Землёй. Новые эффекты выглядели так, будто осцилляции происходят буквально на расстоянии комнаты или нескольких метров. А скорость осцилляций напрямую связана с разницей масс. Если 3 обычных типа нейтрино колеблются заметно только на километрах и тысячах километров, то быстрые переходы можно было объяснить существованием ещё одного, более тяжёлого нейтрино. Именно здесь идея стерильного нейтрино с массой порядка одного-двух электронвольт и показалась почти идеальной скрепой для всей запутанной картины.
Эту частицу искали по всему миру. Её ловили рядом с реакторами, глубоко в шахтах, подо льдом Антарктиды . В 2007 году немецкие физики даже отправили огромный, 200-тонный детектор, похожий на дирижабль, в длинное путешествие по морю к установке Katrin, Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. А в Fermilab на смену Miniboone пришёл новый эксперимент Microboone с более современной технологией регистрации.
На этих установках и начали сыпаться результаты, после которых прежняя красивая версия истории стала разваливаться. Katrin создавали прежде всего для измерения массы нейтрино. Установка следит за электронами, которые рождаются при радиоактивном распаде трития, и очень точно считает их энергии, по сути повторяя логику Паули: если где-то исчезает энергия, значит, её уносит нейтрино. В апреле 2025 года после анализа сотен миллионов электронов коллаборация пришла к выводу , что масса нейтрино не может превышать половину электронвольта. Для сравнения: масса обычного электрона составляет примерно полмиллиона электронвольт.
Но Katrin полезен не только для общей массы. Он хорошо подходит и для охоты на стерильные нейтрино. Если бы более тяжёлый вариант существовал, он иногда уносил бы у электронов дополнительную порцию энергии. Однако в декабрьской работе 2025 года команда не нашла никаких признаков стерильного нейтрино с массой около электронвольта. Для Тьерри Лассера это стало крупным ударом именно по той версии гипотезы, которая должна была объяснить реакторную аномалию. Сейчас он склоняется к мысли, что дело, скорее всего, не в новых частицах, а в неточности расчётов ожидаемого потока нейтрино из реакторов. Этого мнения придерживаются и многие другие физики.
С Microboone история получилась похожей, но била уже по другой загадке. Эксперимент использует жидкий аргон и детально отслеживает субатомные следы, которые нейтрино оставляют при взаимодействии. Такая техника позволяет буквально видеть, что именно произошло внутри детектора, и разбирать события куда тоньше, чем в Miniboone. Сначала коллаборация просто пересчитала случаи появления электронов, а значит, и электронных нейтрино, но ничего необычного не увидела . Затем в прошлом году исследователи проанализировали нейтрино сразу из 2 разных пучков и снова не нашли следов стерильных нейтрино электронвольтного масштаба.
Когда результаты Katrin и Microboone сложили с другими экспериментами и с жёсткими намёками из космологических наблюдений, вывод стал довольно ясным. Одна аккуратная идея уже не работает. Единственное стерильное нейтрино с массой около электронвольта не может одновременно объяснить всё сразу. Эта версия теории, похоже, ошибочна.
Но это не значит, что загадки испарились вместе с ней. Скорее одна большая тайна распалась на несколько отдельных. Реакторная аномалия скорее выглядит как проблема расчётов, а не нейтрино как таковых. Зато LSND, Miniboone и галлиевая аномалия по-прежнему остаются без убедительного объяснения. Причём речь не о каких-то едва заметных намёках: статистическая значимость сигналов там слишком велика, чтобы просто отмахнуться и сделать вид, что ничего не было.
Конечно, всегда остаётся скучное, но обязательное объяснение: неудачное совпадение ошибок, перекосов и тонких систематических эффектов. В физике аномалии появляются регулярно, и нередко спустя годы оказывается, что источник странности был вполне земным. К таким вещам физики и относятся с большой подозрительностью, что для науки скорее полезно. Но с тем же Miniboone проблема в том, что пока никто не сумел собрать даже более-менее правдоподобную комбинацию ошибок, которая воспроизводила бы увиденный сигнал. С галлиевой аномалией история тоже упрямо не хочет рассасываться сама собой.
Поэтому остаётся ещё один вариант. Аномалии действительно связаны с нейтрино, но не через самый простой механизм. Может быть, дело не в одном стерильном нейтрино, а в более сложном семействе из 2, 3 или большего числа лёгких стерильных нейтрино. Может быть, они тяжелее, чем предполагалось раньше. Может быть, картина всё устроено иначе, чем нынешние упрощённые модели. Пока данных и вычислительных возможностей недостаточно, чтобы уверенно проверить весь этот зоопарк вариантов.
Дальше физики рассчитывают взять ситуацию не красотой гипотез, а объёмом информации. У Microboone ещё остаётся работа. Уже действует китайский реактор JUNO. В США готовят DUNE, крупный проект под управлением Fermilab, который должен начать накапливать данные в 2030-х. Джанет Конрад, одна из ведущих фигур в этой области, параллельно ведёт эксперимент Isodar. Он специально нацелен на поиск быстрых нейтринных осцилляций, которые могли бы возникать из-за лёгких стерильных нейтрино в любом количестве. Запуск она надеется довести до 2028 года.
Для этой области такой приток качественных данных сам по себе почти событие. Нейтринная физика привыкла жить либо с малыми, но аккуратными выборками, либо с большими, но шумными наборами. Теперь исследователи ждут ситуацию, когда данных будет много и при этом они окажутся действительно хорошими. Именно это должно наконец показать, какая часть старых аномалий была обманкой, а какая всё-таки указывает на новую физику.
И всё же даже если часть странностей со временем рассыплется, главное никуда не исчезнет. У нейтрино есть масса. Одного этого факта достаточно, чтобы считать частицу прямым проводником к неизвестной части физической реальности. Стандартная модель давно считается неполной. Она, например, не объясняет большую часть массы Вселенной. Проблема лишь в том, что вычленить новые слабые эффекты на фоне уже известных частиц и сил невероятно трудно.
Нейтрино почти ни на что не действует. У частицы почти нет массы, нет электрического заряда, нет цветового заряда, а значит, и связи с большей частью известных сил природы почти нет. Нейтрино может пролететь сквозь целую планету или звезду и ни разу не столкнуться ни с одним атомом. Но в истории физики именно такие почти неуловимые частицы раз за разом меняли ход научной жизни и заставляли исследователей бросать старые темы ради новых, куда более странных вопросов.
Так произошло и в конце 1990-х, когда физики неожиданно выяснили, что у нейтрино всё-таки есть масса. Для многих это стало поворотным моментом. Тьерри Лассер, который тогда занимался космологией, после этого открытия ушёл в нейтринную физику. Марк Росс-Лонерган вообще собирался стать метеорологом, пока в 2010 году случайная встреча с физикой частиц не заставила его сменить траекторию. За ними последовали тысячи других исследователей. Многие годы они пытались разобраться в природе почти невесомой и почти инертной частицы, которая ведёт себя слишком странно, чтобы оставить её в покое.
Долгое время казалось, что вся цепочка загадок указывает на одно и то же объяснение. В разных экспериментах нейтрино то появлялись там, где их быть не должно, то, наоборот, исчезали. Сама масса нейтрино тоже плохо вписывалась в привычную картину. Всё это постепенно сводилось к одной гипотезе: где-то рядом может скрываться особый тип частицы, так называемое стерильное нейтрино. Причём не абы какое, а вполне определённой массы, примерно на уровне одного или двух электронвольт.
На поиски этой частицы ушли годы. Эксперименты становились всё сложнее, техника всё точнее, а проверок становилось всё больше. Но к концу 2025 года накопилось столько нулевых результатов, что настроение в сообществе резко изменилось. Сейчас большинство физиков склоняется к выводу, что именно стерильного нейтрино с такой массой, на которое надеялись объяснить сразу несколько аномалий, скорее всего, не существует. Для части сообщества это уже звучит почти как приговор всей старой версии гипотезы.
<!--'start_frame_cache_Zg1Ab0'--><div class="banner-detailed"><div class="banner-detailed__shell"><div class="banner-detailed__title">Мы в MAX. Простите. <span>Читайте нас хотя бы там.</span><div class="banner-detailed__arrow"><svg viewBox="0 0 40 40" fill="none" xmlns="http://www.w3.org/2000/svg"><path d="M20.5375 34.4392L22.465 31.7392C22.5739 31.5872 22.7145 31.4607 22.8772 31.3684C23.0399 31.2762 23.2207 31.2205 23.407 31.2052C23.5934 31.1898 23.7809 31.2152 23.9564 31.2796C24.132 31.344 24.2915 31.4458 24.4237 31.578L29.6025 36.758C30.0787 37.2333 30.724 37.5002 31.3969 37.5002C32.0697 37.5002 32.715 37.2333 33.1912 36.758L36.7575 33.1917C37.2328 32.7155 37.4998 32.0702 37.4998 31.3973C37.4998 30.7245 37.2328 30.0792 36.7575 29.603L31.5775 24.4242C31.4453 24.2919 31.3435 24.1325 31.2791 23.9569C31.2147 23.7814 31.1893 23.5939 31.2047 23.4075C31.22 23.2211 31.2757 23.0404 31.368 22.8777C31.4602 22.715 31.5867 22.5743 31.7387 22.4655L34.4387 20.538C34.6405 20.3939 34.7965 20.1947 34.8878 19.9641C34.9791 19.7336 35.0018 19.4816 34.9534 19.2385C34.9049 18.9953 34.7873 18.7713 34.6146 18.5934C34.442 18.4155 34.2216 18.2912 33.98 18.2355L13.5112 13.5117L18.235 33.9805C18.2907 34.2221 18.415 34.4425 18.5929 34.6151C18.7708 34.7878 18.9948 34.9054 19.238 34.9539C19.4812 35.0023 19.7331 34.9795 19.9637 34.8882C20.1942 34.7969 20.3934 34.641 20.5375 34.4392Z" fill="#FFD98C"></path><path d="M34.0751 37.6413C33.3582 38.3389 32.3973 38.7293 31.397 38.7293C30.3966 38.7293 29.4358 38.3389 28.7189 37.6413L23.4826 32.4663L21.5539 35.165C21.2699 35.5626 20.8773 35.8698 20.423 36.0497C19.9688 36.2295 19.4723 36.2744 18.9931 36.179C18.514 36.0836 18.0726 35.8518 17.7219 35.5117C17.3713 35.1715 17.1263 34.7373 17.0164 34.2613L12.2926 13.7925C12.2447 13.5858 12.2502 13.3702 12.3086 13.1662C12.367 12.9622 12.4764 12.7764 12.6264 12.6263C12.7765 12.4763 12.9623 12.3669 13.1663 12.3085C13.3703 12.2501 13.5859 12.2446 13.7926 12.2925L34.2614 17.0175C34.7374 17.1271 35.1717 17.3719 35.512 17.7225C35.8523 18.073 36.0841 18.5144 36.1795 18.9935C36.275 19.4726 36.23 19.9691 36.0501 20.4233C35.8701 20.8775 35.5628 21.27 35.1651 21.5538L32.4614 23.54L37.6414 28.7188C38.3498 29.43 38.7476 30.393 38.7476 31.3969C38.7476 32.4008 38.3498 33.3637 37.6414 34.075L34.0751 37.6413ZM35.8751 30.4863L30.6951 25.3075C30.4344 25.047 30.2336 24.7328 30.1068 24.3868C29.9799 24.0407 29.9299 23.6712 29.9604 23.3039C29.9908 22.9366 30.101 22.5804 30.2831 22.26C30.4653 21.9396 30.7151 21.6628 31.0151 21.4488L33.6989 19.4488L15.1851 15.1763L19.5001 33.7275L19.5139 33.7113L21.4414 31.0125C21.6555 30.7124 21.9325 30.4626 22.253 30.2805C22.5735 30.0983 22.9298 29.9882 23.2972 29.9577C23.6646 29.9272 24.0342 29.9772 24.3803 30.1041C24.7264 30.231 25.0407 30.4318 25.3014 30.6925L30.4864 35.875C30.728 36.1163 31.0555 36.2518 31.397 36.2518C31.7385 36.2518 32.066 36.1163 32.3076 35.875L35.8751 32.3075C36.1161 32.0657 36.2514 31.7383 36.2514 31.3969C36.2514 31.0555 36.1161 30.728 35.8751 30.4863ZM8.14636 9.385C7.98292 9.38706 7.82069 9.35675 7.66901 9.29583C7.51733 9.2349 7.37921 9.14455 7.26261 9.03L4.58011 6.3475C4.35242 6.11175 4.22643 5.796 4.22927 5.46825C4.23212 5.1405 4.36358 4.82699 4.59534 4.59523C4.8271 4.36347 5.14062 4.23201 5.46836 4.22916C5.79611 4.22631 6.11186 4.3523 6.34761 4.58L9.03012 7.2625C9.20107 7.43787 9.31674 7.65959 9.36277 7.90013C9.4088 8.14068 9.38315 8.38944 9.28901 8.61553C9.19487 8.84162 9.03639 9.03508 8.83325 9.17188C8.63011 9.30867 8.39126 9.38278 8.14636 9.385ZM17.9726 9.03C17.7362 9.26044 17.419 9.3894 17.0889 9.3894C16.7587 9.3894 16.4416 9.26044 16.2051 9.03C15.9708 8.79559 15.8391 8.47771 15.8391 8.14625C15.8391 7.8148 15.9708 7.49691 16.2051 7.2625L18.8876 4.58C19.0029 4.46061 19.1409 4.36538 19.2934 4.29987C19.4459 4.23436 19.6099 4.19988 19.7759 4.19844C19.9418 4.197 20.1064 4.22862 20.2601 4.29147C20.4137 4.35432 20.5532 4.44714 20.6706 4.56451C20.788 4.68187 20.8808 4.82144 20.9436 4.97506C21.0065 5.12868 21.0381 5.29328 21.0367 5.45925C21.0352 5.62523 21.0008 5.78925 20.9352 5.94176C20.8697 6.09426 20.7745 6.23219 20.6551 6.3475L17.9726 9.03ZM6.34761 20.655C6.11146 20.886 5.79423 21.0154 5.46386 21.0154C5.1335 21.0154 4.81627 20.886 4.58011 20.655C4.34578 20.4206 4.21413 20.1027 4.21413 19.7713C4.21413 19.4398 4.34578 19.1219 4.58011 18.8875L7.26261 16.205C7.37792 16.0856 7.51585 15.9904 7.66836 15.9249C7.82086 15.8594 7.98489 15.8249 8.15086 15.8234C8.31684 15.822 8.48144 15.8536 8.63506 15.9165C8.78868 15.9793 8.92824 16.0721 9.04561 16.1895C9.16297 16.3069 9.25579 16.4464 9.31864 16.6001C9.38149 16.7537 9.41312 16.9183 9.41168 17.0843C9.41024 17.2502 9.37575 17.4143 9.31024 17.5668C9.24473 17.7193 9.1495 17.8572 9.03012 17.9725L6.34761 20.655ZM12.6176 7.54375C12.2861 7.54375 11.9682 7.41205 11.7337 7.17763C11.4993 6.94321 11.3676 6.62527 11.3676 6.29375V2.5C11.3676 2.16848 11.4993 1.85054 11.7337 1.61612C11.9682 1.3817 12.2861 1.25 12.6176 1.25C12.9491 1.25 13.2671 1.3817 13.5015 1.61612C13.7359 1.85054 13.8676 2.16848 13.8676 2.5V6.29375C13.8676 6.62527 13.7359 6.94321 13.5015 7.17763C13.2671 7.41205 12.9491 7.54375 12.6176 7.54375ZM2.50011 11.3675H6.29387C6.62539 11.3675 6.94333 11.4992 7.17775 11.7336C7.41217 11.968 7.54387 12.286 7.54387 12.6175C7.54387 12.949 7.41217 13.267 7.17775 13.5014C6.94333 13.7358 6.62539 13.8675 6.29387 13.8675H2.50011C2.16859 13.8675 1.85065 13.7358 1.61623 13.5014C1.38181 13.267 1.25011 12.949 1.25011 12.6175C1.25011 12.286 1.38181 11.968 1.61623 11.7336C1.85065 11.4992 2.16859 11.3675 2.50011 11.3675Z" fill="#272727"></path></svg> <!--'end_frame_cache_Zg1Ab0'--> Парадокс в том, что исчезновение любимого объяснения сделало картину не проще, а запутаннее. Аномалии никуда не делись. Нейтрино по-прежнему ведут себя так, будто в одних установках умеют пропадать, а в других возникать заново. И самое главное, сама масса нейтрино всё ещё требует новой физики. Стандартная модель, главный рабочий набор правил для известных частиц и взаимодействий, не умеет естественно объяснить, почему у нейтрино вообще есть масса. Поэтому даже после неудачи со стерильным нейтрино влияние этой частицы на физику никуда не исчезло. Просто теперь вопросов стало больше, а красивых коротких ответов меньше.
Вообще почти всё, что физики знают о нейтрино, выросло из экспериментов, в которых что-то не сходилось. По сути, вся история этой области построена на аномалиях. Так было с самого начала. В 1930 году Вольфганг Паули пытался понять странность в радиоактивных распадах. Когда атом одного элемента превращается в атом другого, часть энергии уходит с испускаемым электроном. Но в некоторых распадах электрон вылетал не с той энергией, которую ожидали увидеть. Чего-то не хватало. Паули предположил, что недостающую энергию уносит ещё одна, невидимая частица. Она не должна была иметь электрического заряда и, как тогда думали, не имела массы. Взаимодействовать с веществом такая частица могла только через слабое взаимодействие, то самое, которое и позволяет одним субатомным частицам превращаться в другие.
Слабое взаимодействие получило своё название не случайно. Оно настолько слабое, что нейтрино могло бы пролететь через световые годы свинца и не изменить ни одного атома. Паули даже спорил на ящик шампанского, что никто никогда не сможет такую частицу поймать. Но примерно через 20 лет экспериментаторы всё же нашли явные следы нейтрино у ядерного реактора на станции Savannah River в Южной Каролине. После этого физики быстро поняли: если уж эту почти несуществующую по меркам взаимодействий частицу удаётся регистрировать, из неё можно выжать куда больше информации, чем казалось.
Следующей большой целью стало Солнце. Если ядерные реакторы на Земле рождают нейтрино, то Солнце делает то же самое в гигантском масштабе. В конце 1960-х Рэймонд Дэвис-младший установил в шахте почти на полуторакилометровой глубине резервуар на 100 тысяч галлонов жидкости, похожей на ту, что используют в химчистке. Там он собирался ловить солнечные нейтрино. Джон Баколл рассчитал, сколько таких частиц установка должна увидеть. Но реальный счёт оказался в 3 раза ниже. Либо с Солнцем что-то не так, либо нейтрино где-то исчезают по дороге.
На разгадку ушло 30 лет. Зато ответ оказался громким. Эксперименты Super-Kamiokande в Японии и канадская обсерватория SNO показали, что нейтрино действительно исчезают, но не буквально. По дороге они меняют тип. У нейтрино есть 3 разновидности: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Эксперимент Дэвиса был чувствителен в основном к одному виду, а частицы успевали превратиться в другой. Так физики впервые надёжно увидели нейтринные осцилляции , то есть переходы одного типа в другой.
Именно тут начались проблемы уже не с экспериментом, а с самой теорией. Осцилляции возможны только в том случае, если массы разных типов нейтрино немного отличаются друг от друга. Но Стандартная модель исходно утверждала, что масса у всех нейтрино должна быть нулевой. Открытие осцилляций означало, что эта часть модели не работает.
Причина уходит в сам способ, которым теория описывает массу частиц. В языке квантовой физики частица ведёт себя как возмущение поля. Частица с массой обычно получается из связи двух компонентов: левого и правого. Электрон, например, имеет массу потому, что левый и правый варианты у него связаны. А с нейтрино долгое время видели только левую компоненту. Поэтому считалось, что масса у него невозможна. Наблюдения Super-Kamiokande и SNO разрушили этот вывод и оставили физикам вопрос, который так и не закрыт до сих пор: откуда у нейтрино берётся масса.
Самый прямой ответ выглядел заманчиво. Возможно, существует четвёртый тип нейтрино, связанный с правым полем, почти полностью невидимый для привычных экспериментов. Слабое взаимодействие действует только на левые поля, поэтому правое нейтрино не чувствовало бы на себе почти ничего из набора сил Стандартной модели. Из-за этой полной отстранённости его и назвали стерильным.
Был и другой путь. Можно было предположить, что обычные левые нейтрино в каком-то смысле не совсем чисто левые и умеют сами обеспечивать себе массу. Но и этот вариант ломал исходную структуру Стандартной модели. А самый простой ремонт снова приводил к идее дополнительного, в основном правого, стерильного нейтрино. Поэтому с теоретической стороны всё выглядело почти подозрительно удобно: 2 самых естественных способа объяснить массу нейтрино вели примерно в одно место.
Вскоре под эту картину начали подстраиваться и новые аномалии. В 1990-х эксперимент LSND в Лос-Аламосе увидел слишком много электронных нейтрино в пучке, где в основном ожидались мюонные. Позже похожий избыток обнаружил Miniboone в Fermilab. Так родились аномалии LSND и Miniboone. Сигнал выглядел так, будто нейтрино превращаются друг в друга слишком быстро и слишком охотно.
Почти тогда же в России и Италии физики ставили рядом с большими объёмами жидкого галлия мощные радиоактивные источники, чтобы проверить работу нейтринных детекторов. Галлий хорошо подходит для ловли электронных нейтрино, но счётчики снова показали нехватку, примерно на 20% меньше ожидаемого. Так появилась галлиевая аномалия. В 2022 году более точный эксперимент снова нашёл аргументы в её пользу.
Потом добавилась ещё одна неприятность. В 2011 году выяснилось, что физики, похоже, занижали расчётное число электронных антинейтрино, которые должны рождаться в ядерных реакциях. Из-за этого старые измерения возле реакторов, которые раньше казались нормальными, теперь стали выглядеть как дефицит. Так появилась реакторная аномалия.
Все 3 истории указывали на знакомый мотив: нейтрино снова появляются и исчезают. Но теперь речь шла уже не о превращениях на огромных расстояниях между Солнцем и Землёй. Новые эффекты выглядели так, будто осцилляции происходят буквально на расстоянии комнаты или нескольких метров. А скорость осцилляций напрямую связана с разницей масс. Если 3 обычных типа нейтрино колеблются заметно только на километрах и тысячах километров, то быстрые переходы можно было объяснить существованием ещё одного, более тяжёлого нейтрино. Именно здесь идея стерильного нейтрино с массой порядка одного-двух электронвольт и показалась почти идеальной скрепой для всей запутанной картины.
Эту частицу искали по всему миру. Её ловили рядом с реакторами, глубоко в шахтах, подо льдом Антарктиды . В 2007 году немецкие физики даже отправили огромный, 200-тонный детектор, похожий на дирижабль, в длинное путешествие по морю к установке Katrin, Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment. А в Fermilab на смену Miniboone пришёл новый эксперимент Microboone с более современной технологией регистрации.
На этих установках и начали сыпаться результаты, после которых прежняя красивая версия истории стала разваливаться. Katrin создавали прежде всего для измерения массы нейтрино. Установка следит за электронами, которые рождаются при радиоактивном распаде трития, и очень точно считает их энергии, по сути повторяя логику Паули: если где-то исчезает энергия, значит, её уносит нейтрино. В апреле 2025 года после анализа сотен миллионов электронов коллаборация пришла к выводу , что масса нейтрино не может превышать половину электронвольта. Для сравнения: масса обычного электрона составляет примерно полмиллиона электронвольт.
Но Katrin полезен не только для общей массы. Он хорошо подходит и для охоты на стерильные нейтрино. Если бы более тяжёлый вариант существовал, он иногда уносил бы у электронов дополнительную порцию энергии. Однако в декабрьской работе 2025 года команда не нашла никаких признаков стерильного нейтрино с массой около электронвольта. Для Тьерри Лассера это стало крупным ударом именно по той версии гипотезы, которая должна была объяснить реакторную аномалию. Сейчас он склоняется к мысли, что дело, скорее всего, не в новых частицах, а в неточности расчётов ожидаемого потока нейтрино из реакторов. Этого мнения придерживаются и многие другие физики.
С Microboone история получилась похожей, но била уже по другой загадке. Эксперимент использует жидкий аргон и детально отслеживает субатомные следы, которые нейтрино оставляют при взаимодействии. Такая техника позволяет буквально видеть, что именно произошло внутри детектора, и разбирать события куда тоньше, чем в Miniboone. Сначала коллаборация просто пересчитала случаи появления электронов, а значит, и электронных нейтрино, но ничего необычного не увидела . Затем в прошлом году исследователи проанализировали нейтрино сразу из 2 разных пучков и снова не нашли следов стерильных нейтрино электронвольтного масштаба.
Когда результаты Katrin и Microboone сложили с другими экспериментами и с жёсткими намёками из космологических наблюдений, вывод стал довольно ясным. Одна аккуратная идея уже не работает. Единственное стерильное нейтрино с массой около электронвольта не может одновременно объяснить всё сразу. Эта версия теории, похоже, ошибочна.
Но это не значит, что загадки испарились вместе с ней. Скорее одна большая тайна распалась на несколько отдельных. Реакторная аномалия скорее выглядит как проблема расчётов, а не нейтрино как таковых. Зато LSND, Miniboone и галлиевая аномалия по-прежнему остаются без убедительного объяснения. Причём речь не о каких-то едва заметных намёках: статистическая значимость сигналов там слишком велика, чтобы просто отмахнуться и сделать вид, что ничего не было.
Конечно, всегда остаётся скучное, но обязательное объяснение: неудачное совпадение ошибок, перекосов и тонких систематических эффектов. В физике аномалии появляются регулярно, и нередко спустя годы оказывается, что источник странности был вполне земным. К таким вещам физики и относятся с большой подозрительностью, что для науки скорее полезно. Но с тем же Miniboone проблема в том, что пока никто не сумел собрать даже более-менее правдоподобную комбинацию ошибок, которая воспроизводила бы увиденный сигнал. С галлиевой аномалией история тоже упрямо не хочет рассасываться сама собой.
Поэтому остаётся ещё один вариант. Аномалии действительно связаны с нейтрино, но не через самый простой механизм. Может быть, дело не в одном стерильном нейтрино, а в более сложном семействе из 2, 3 или большего числа лёгких стерильных нейтрино. Может быть, они тяжелее, чем предполагалось раньше. Может быть, картина всё устроено иначе, чем нынешние упрощённые модели. Пока данных и вычислительных возможностей недостаточно, чтобы уверенно проверить весь этот зоопарк вариантов.
Дальше физики рассчитывают взять ситуацию не красотой гипотез, а объёмом информации. У Microboone ещё остаётся работа. Уже действует китайский реактор JUNO. В США готовят DUNE, крупный проект под управлением Fermilab, который должен начать накапливать данные в 2030-х. Джанет Конрад, одна из ведущих фигур в этой области, параллельно ведёт эксперимент Isodar. Он специально нацелен на поиск быстрых нейтринных осцилляций, которые могли бы возникать из-за лёгких стерильных нейтрино в любом количестве. Запуск она надеется довести до 2028 года.
Для этой области такой приток качественных данных сам по себе почти событие. Нейтринная физика привыкла жить либо с малыми, но аккуратными выборками, либо с большими, но шумными наборами. Теперь исследователи ждут ситуацию, когда данных будет много и при этом они окажутся действительно хорошими. Именно это должно наконец показать, какая часть старых аномалий была обманкой, а какая всё-таки указывает на новую физику.
И всё же даже если часть странностей со временем рассыплется, главное никуда не исчезнет. У нейтрино есть масса. Одного этого факта достаточно, чтобы считать частицу прямым проводником к неизвестной части физической реальности. Стандартная модель давно считается неполной. Она, например, не объясняет большую часть массы Вселенной. Проблема лишь в том, что вычленить новые слабые эффекты на фоне уже известных частиц и сил невероятно трудно.
- Источник новости
- www.securitylab.ru
