Защо физиците ловуват на най-странните частици на духовете


Всяка секунда от всеки един ден, вие сте бомбардирани от трилиони при трилиони субатомни частици, които се къпят от дълбините на космоса. Те духат през вас със силата на космическия ураган, който се разбива в почти скоростта на светлината. Те идват от цялото небе, през цялото време на деня и нощта. Те проникват в магнитното поле на Земята и защитната ни атмосфера като толкова много масло.

И все пак, косата на върха на главата ви не е дори разрошена.

Какво става?

Тези малки патрони се наричат ​​неутрино, термин, измислен през 1934 г. от брилянтния физик Енрико Ферми. Думата е неясно италианска за "малко неутрална", и съществуването им е предположено, за да обясни една много любопитна ядрена реакция. [The Biggest Unsolved Mysteries in Physics]

Понякога елементите се чувстват малко… нестабилни. И ако са оставени сами за твърде дълго време, те се разпадат и се трансформират в нещо друго, нещо малко по-светло върху периодичната таблица. Освен това ще изскочи малко електрон. Но през 20-те години на миналия век внимателните и подробни наблюдения на тези разпадания намериха малки и оскъдни разминавания. Общата енергия в началото на процеса беше малко по-голяма от енергията, която излизаше. Математиката не се изрази. Од.

Така че, няколко физици измислиха съвсем нова частица от цялото платно. Нещо, което да отнесе липсващата енергия. Нещо малко, нещо светло, нещо без обвинение. Нещо, което можеше да се промъкне през техните детектори незабелязано.

Малко, неутрално. Неутрино.

Отне още няколко десетилетия, за да потвърдят съществуването им – това са толкова хлъзгави и хитри и подли. Но през 1956 г. неутрино се присъединиха към нарастващото семейство от известни, измерени, потвърдени частици.

И тогава нещата станаха странни.

Проблемът започна да варира с откриването на мюона, което случайно се случваше по същото време, когато неутринната идея започваше да се основава на: 30-те години на миналия век. Мюонът е почти точно като електрон. Същата такса. Същото завъртане. Но това е различно в един решаващ начин: това е по-тежко, над 200 пъти по-масивно от неговия брат, електрона.

Мюоните участват в собствените си реакции, но не продължават дълго. Поради впечатляващата си маса, те са много нестабилни и бързо се разпадат в душове с по-малки битове ("бързо" означава в рамките на една микросекунда или две).

Всичко това е добре и добре, защо мюоните фигурират в неутринната история?

Физиците забелязаха, че реакциите на разпад, които предполагат съществуването на неутрино, винаги са изскачали електрон и никога не е бил мюон. В други реакции мюоните ще изскочат, а не електрони. За да обяснят тези констатации, те разсъждават, че неутрино винаги се съгласуват с електроните в тези реакции на разпад (а не с някакъв друг вид неутрино), докато електронът муонът трябва да се сдвои с все още неоткрит вид неутрино. електронно-приятелското неутрино не би могло да обясни наблюденията от събитията на мюоните. [Wacky Physics: The Coolest Little Particles in Nature]

И така, ловът продължи. И нататък. И нататък. Едва през 1962 г. физиците най-накрая получиха заключване на втория вид неутрино. Първоначално се наричаше "неутрето", но по-рационалните глави надделяваха с схемата, наречена муон-неутрино, тъй като тя винаги се свързваше с реакции с мюона.

Добре, два потвърдени неутрина. Природата има ли повече за нас? През 1975 г. изследователи от Станфордския център за линеен ускорител смело се пресяват през планини с монотонни данни, за да разкрият съществуването на още по-тежък брат от пъргавия електрон и тежкия муон: тромав тау, който е с тридесет и петстотин пъти по-голяма маса от електрона. , Това е голяма частица!

И така, веднага стана въпросът: ако има семейство от три частици, електрон, мюон и тау… може ли да има трето неутрино, за да се сдвои с това новооткрито същество?

Може би, може би не. Може би има само двата неутрино. Може би има четири. Може би 17. Природата не отговаря точно на нашите очаквания преди, така че няма причина да започваме сега.

Прескачайки през много десетки години, физиците убедиха себе си, че използват различни експерименти и наблюдения, че трябва да съществува трето неутрино. Но не до края на хилядолетието, през 2000 г., специално разработен експеримент в Fermilab (наричан хумористичен експеримент DONUT, за Директно наблюдение на NU Tau и не, не го правя) накрая се получи достатъчно потвърдени наблюдения, за да твърдят, че са открити.

Защо се грижим толкова за неутрино? Защо ги преследваме повече от 70 години, от преди Втората световна война до съвременната епоха? Защо поколения учени са били толкова очаровани от тези малки, неутрални?

Причината е, че неутрино продължават да живеят извън нашите очаквания. Дълго време дори не бяхме сигурни, че съществуват. Дълго време бяхме убедени, че са напълно безмасови, докато експериментите досадно откриха, че те трябва да имат маса. Точно "колко" остава съвременен проблем. И неутрино имат този досаден навик да променят характера си, докато пътуват. Точно така, тъй като неутрино пътува в полет, той може да превключва маските между трите вкуса.

Дори там може да има допълнително неутрино, което да не участва в обичайните взаимодействия – нещо, известно като стерилно неутрино, за което физиците жадно търсят.

С други думи, неутрино непрекъснато предизвикват всичко, което знаем за физиката. И ако има нещо, от което се нуждаем, както в миналото, така и в бъдещето, това е добро предизвикателство.

Пол М. Сатър е астрофизик в Държавният университет в Охайо, домакин на Питайте космонавт и Космическо радиои автор на Вашето място във Вселената,

Първоначално публикуван на Наука на живо,