Новое слово в физике

Разумеется, каждому сейчас хочется написать заметку под заголовком «Пять уроков Майдана», не одному мне. Причем, конечно, уроки там должны быть такие, чтобы не столько научить кого-нибудь — все и так уже ученые дальше некуда, — сколько разозлить. Оскорбить дремучие чувства, поляризовать общество еще сильнее, подтолкнуть к последней грани, чтобы у противника от ярости кровь приливала к роже до синевы. Я, собственно, готов был придумать не пять, а все пятнадцать «уроков», чтобы отобрать самые злые, чтобы каждый — как плевок во все то, чем они так дорожат и что мы так ненавидим.

Но поскольку, как все только что могли убедиться, эта идеологическая программа в письменном изложении оказывается довольно невнятной из-за брызг слюны, имеет смысл поставить себе жесткие рамки и просто ради самодисциплины написать о том, что в эти дни ровно никому не интересно. То есть о новостях науки, конечно же.

Речь тут пойдет о нейтрино. Для тех, кто совсем уж не в курсе — это такая частица, которая давным-давно была открыта «на кончике пера», как и наш любимый Хиггсов бозон. Нейтрино летают огромными стаями туда-сюда, в том числе и сквозь нас с вами (особенно много их летит от Солнца), но ни с чем особенно не взаимодействуют. Точнее, они не участвуют в двух базовых взаимодействиях: электромагнитном и сильном. В третьем, гравитационном, они тоже почти не участвуют: они такие легкие, что их раньше считали совсем безмассовыми. Участвуют они только в «слабом» взаимодействии (что бы это ни значило — надо просто запомнить).

Пока все думали, что у нейтрино нет массы, они очень ловко вписывались в существующую у физиков «теорию всего», которая называется Стандартной моделью. А именно, нейтрино бывают трех типов, или трех «поколений», или трех «ароматов», как еще говорят. В Стандартной модели вообще все частицы материи делятся на три: три поколения кварков, три лептона (электрон, мюон и тау), ну и нейтрино тоже три — есть на то серьезные теоретические предпосылки. Никак их не может быть не три, по математическим формулам. Самая безумная часть физиков, свихнувшаяся на почве теории струн, считает даже, что это связано с топологией десятимерного пространства, где мы живем: в нем есть, возможно, три этаких дырки, как в бублике, и вокруг этих дырок обмотаны струны, как раз и дающие три «аромата» частиц. Но рассуждать об этом — верный путь к безумию, так что проехали.

И вот буквально на рубеже века стали поступать данные, что нейтрино ведут себя вовсе не так, как положено приличным частицам из Стандартной модели. Сперва открыли «нейтринную осцилляцию»: разные ароматы нейтрино могут переходить один в другой. По расчету, частота этих осцилляций должна быть пропорциональна разности квадратов масс, а значит, массы их уж никак не равны нулю. Вот и первый сюрприз.

А второй сюрприз назревает прямо на наших глазах. Сразу из нескольких опытов вдруг оказалось, что трех типов нейтрино явно недостаточно, чтобы объяснить все результаты. Даже вышеупомянутые осцилляции (их, кстати, ужасно трудно наблюдать и еще труднее обсчитывать) никак не сходятся друг с другом, если типов нейтрино только три. Зато все начинает вытанцовываться, если предположить, что есть и четвертое нейтрино.

Чтобы при этом не порушить всю стройную картину теорфизики, четвертое нейтрино должно быть не совсем таким, как остальные. Мы уже сказали, что нейтрино участвуют только в «слабом» взаимодействии; так вот, четвертое нейтрино никак не может участвовать и в нем. Потому назвали его «стерильным». Название запоминающееся и хорошо приживется в популярных книжках. Так и представляешь себе этих трех ребят, заросших грязью и микробами, и четвертого — чистюлю.

И это правильный образ: по представлениям теоретиков, в компанию остальных нейтрино эти стерильные ребята не то чтобы вписываются на равных, а скорее стоят особнячком (это как бы «синглет» и «триплет», если такие слова помогают разбудить в вашей памяти что-то из образной системы институтского курса физики). Однако даже если и так — как только и может быть из соображений теоретической красоты — в Стандартную модель такая красота все равно не вписывается ни в какую.

Если вы хотите, чтобы вам объяснили про стерильные нейтрино русским языком, послушайте физика Михаила Данилова. Он, собственно,  заодно упоминает и о том, какую заметную роль в этой истории играют наши российские ученые, и это приятно. А неприятно то, что рассказать всю историю за 10 минут у доктора Данилова явно не получилось, сложновато это все же для популярного жанра.

В принципе, если даже какие-то «стерильные нейтрино» хорошо объясняют расхождение эксперимента с расчетами, это еще не значит, что они есть на самом деле. Но если они же объясняют и еще пару-тройку опытов, тут уже стоит задуматься серьезнее. И вот буквально на днях в последнем номере Physical Review Letters появились сразу две статьи, мгновенно придавшие этим высосанным из пальца нейтрино более солидный статус.

Одну статью написали Ричард Батти и Адам Мосс, «британские ученые». Вторую — Марк Вайман и его коллеги из Чикаго. Обе статьи, в общем-то, об одном и том же.

Если вкратце: по всем расчетам, галактики, которые болтаются в космосе вокруг нас, произошли из неоднородностей материи на ранних этапах жизни Вселенной. Каковы эти галактики, мы можем худо-бедно видеть в телескоп. А какие были неоднородности — тоже видно в телескоп, а именно в телескоп «Планк», который вот уже пятый год болтается на орбите и измеряет микроволновое излучение пустого космоса.

И вот беда: никак эти данные не согласуются. То есть неоднородности, измеренные «Планком», слишком велики: по всем расчетам, из них должны были получится куда более жирные и нажористые галактики, чем те, что получились на самом деле. Отчего-то процесс формирования галактик был не так эффективен, как следует из расчетов.

Так вот, в этих двух статьях предложено объяснение. Причем практически одно и то же. А именно, оказалось, что если в расчетах учесть «стерильные нейтрино», все отлично сходится.

Более того: масса этих самых нейтрино, которую надо подставлять в формулы, чтобы ответ сошелся, практически равна массе, которая придавала бы разумный смысл и всем прочим нейтринным экспериментам. То есть вроде бы все сходится.

Подробнее об этом можно прочитать по-английски в Nature, равно как и в последнем Scientific American, кто как больше любит.

Разумеется, теперь неплохо бы доказать, что стерильные нейтрино существуют не только в дремучих головах физиков-теоретиков, но и на самом деле. Если вы дослушали объяснения физика Данилова на «постнауке», он там в конце упоминает об одном эксперименте, который мог бы подтвердить эту гипотезу. А если читатель этих строк, не дай Бог, физик, ему может захотеться прочесть огромный «уайт пейпер» — своего рода протокол о намерениях ученых, — где рассказывается, как именно можно доказать существование этой непонятной штуки экспериментальным путем. Даже и невежды смогут прочитать по крайней мере введение к этой статье, а это познавательно.

И если в этих опытах гипотеза подтвердится, выражение «стерильные нейтрино» сразу же будет у всех на слуху. Потому что, во-первых, это будет означать, что эпоха Стандартной модели осталась позади, слишком уж многое в нее никак не вписывается. Во-вторых, как я уже сказал — название запоминающееся, его ловко и без опечаток подхватят все журналисты. А в-третьих, по мнению некоторых, эта штука имеет отношение к еще одной тайне Вселенной — «темной материи», а у нее тоже яркое и образное название, которое на слуху у профанов. Не то чтобы стерильные нейтрино сразу объясняли все на свете — как бы не запутали еще больше, — но по крайней мере они придают всему новый аспект.

Таким образом, если через пару лет (а может, лет через 50, как это случилось с хиггсовским бозоном) словосочетание «стерильные нейтрино» попадет на первые полосы газет, наши читатели смогут гордиться: они были первыми (из невежд), кто узнал это слово со страниц нашего сайта. То, что вы живете на самых грязных задворках истории, где принято гордиться своими пороками и ненавидеть все то, до чего не получается доплюнуть, — еще не повод утрачивать естественную любознательность. Она даже кошкам свойственна.