Uczące się cząstki mogą po prostu zerwać nasze zrozumienie wszechświata

Notorycznie duchowe cząstki zwane neutrinami mogły ujawnić rysę w naszym zrozumieniu wszystkich cząstek i sił we wszechświecie.

Model standardowy fizyki cząstek, który kataloguje wszystkie cząstki i siły, które znamy, jest jednym z największych sukcesów nowoczesnej fizyki, ale fizycy przeznaczyli również dziesięciolecia na próby jego obalenia. To dlatego, że ma wystarczająco dużo wad – zwłaszcza brak połączenia grawitacji z którąkolwiek z trzech innych sił fundamentalnych – co skłania badaczy do podejrzeń, że muszą opracować inny, lepszy model.

Jeśli model standardowy ulegnie uszkodzeniu podczas testu naprężenia, wskazywałoby to, od czego powinniśmy zacząć budować ten następny model. Francesca Dordei z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej (INFN) w Cagliari i jej koledzy zidentyfikowali teraz jedną możliwą rysę, badając enigmatyczne neutrina.

„Przez wszystkie sprawdzenia [modelu standardowego], które przeprowadziliśmy w ciągu ostatnich dwóch dekad, za każdym razem uparcie potwierdzili model standardowy, co oznacza, że musimy uzyskać jeszcze precyzyjniejsze wyniki. W tym sensie neutrino to specjalna cząstka” – mówi Dordei.

Neutrina mają niesamowicie małe masy – tak małe, że fizycy kiedyś myśleli, że są bezmasowe. Ponadto są one słabo oddziałujące, co oznacza, że przechodzą przez obiekty i ciała niewykryte, jak małe duchy. Jednak dokładne badanie wykazało pewne małe oddziaływania elektromagnetyczne, w których uczestniczą neutrino, które można scharakteryzować za pomocą liczby zwanej promieniem ładunkowym. Neutrino może również oddziałować z innymi cząstkami za pośrednictwem słabych sił jądrowych.

Dordei i jej koledzy przeanalizowali szczegóły tego oddziaływania i promienia ładunkowego neutrino w wielu eksperymentach, które w ostatnich latach szukały śladów tych trudno wykrywalnych cząstek. Na przykład połączyli dane z obserwacji neutrin powstałych w reaktorach jądrowych, akceleratorach cząstek i procesach fuzji wewnątrz Słońca. Zespół wykorzystał także fakt, że niektóre detektory zbudowane dla ciemnej materii – tajemniczej substancji wypełniającej kosmos – również są wrażliwe na neutrina.

Członek zespołu Nicola Cargioli, również w INFN, mówi, że złożenie wszystkich tych danych było wyzwaniem, ale zapewniło potężny przegląd wszystkiego, co wiemy o neutrino. „Wykorzystaliśmy praktycznie wszystkie dane, jakie są” – mówi Christoph Ternes z Instytutu Naukowego Gran Sasso w L’Aquila we Włoszech, który również pracował nad projektem.

Wartość promienia ładunkowego neutrino nie odbiegała od przewidywań modelu standardowego, ale badacze odkryli coś jeszcze ekscytującego, gdy spojrzeli na słabe oddziaływania cząstki. Zidentyfikowali tu „degenerację matematyczną”, co oznacza, że zarówno model standardowy, jak i nieco inny model mogłyby wyprodukować te same obserwacje. Co więcej, dalsza analiza pokazała, że to alternatywa dla modelu standardowego może lepiej pasować do danych, co może wskazywać na długo poszukiwaną rysę w naszym obecnym zrozumieniu fizyki cząstek.

Nowa analiza nie osiągnęła jeszcze statystycznie poziomu jednoznacznego odkrycia, a badacze postrzegają ją jako pierwszy krok w testowaniu modelu standardowego za pomocą neutrin. Mają nadzieję zdobyć więcej danych, które mogłyby dodatkowo potwierdzić – lub obalić – ich obecne wyniki, gdy nowe detektory zostaną uruchomione w najbliższych latach. Jednak jeśli ta rysa utrzyma się w przyszłości, może mieć poważne konsekwencje.

„Jeśli znaleźliśmy rysę, musimy być gotowi na zrewidowanie wszystkiego” – mówi Cargioli. Na przykład nowy model, który wybiega poza model standardowy, mógłby obejmować zupełnie nowe rodzaje cząstek, których oddziaływanie z neutrino pasowałoby do analizy z przeprowadzonego przez zespół badania.

Omar Miranda z Centrum Badań i Studiów Zaawansowanych Politechniki Narodowej w Meksyku mówi, że pomiar oddziaływań neutrin, zwłaszcza przy bardzo niskiej energii, jak to ma miejsce w znacznej części danych z nowego badania, jest bardzo trudny i stał się możliwy dopiero niedawno dzięki postępowi w technologii detektorów, w tym detektorów do ciemnej materii. To naprawdę podkreśla znaczenie wykrywania neutrin jako testu modelu standardowego, mówi.

Nowa analiza stanowi apel do fizyków cząstek o przeprowadzanie bardziej ultra-precyzyjnych eksperymentów z neutrinami w różnych środowiskach w przyszłości, mówi José Valle z Uniwersytetu Walencji w Hiszpanii. Lepsze pomiary właściwości elektromagnetycznych neutrin są również wciąż konieczne, ponieważ rzucają światło na, na przykład, wewnętrzną strukturę neutrin.