Как подземная обсерватория поможет физикам разгадать загадку массы
Китайские ученые запустили самый большой и чувствительный детектор нейтрино — таинственных и почти неуловимых частиц. Анатолий Глянцев рассказывает о том, как новый прибор может помочь в поисках ответа на один из главных вопросов о глубинных законах Вселенной:
26 августа 2025 года в Китае начала работу Цзянмэньская подземная нейтринная обсерватория (Jiangmen Underground Neutrino Observatory, или JUNO). Это крупнейший и самый точный детектор нейтрино среди всех установок своего класса. Проект объединяет более 700 исследователей из 17 стран, хотя основной вклад вносит Китай. Установка должна помочь физикам разгадать загадку, не укладывающуюся в самые надежные, авторитетные и многократно проверенные теории. Это вопрос о том, откуда берется масса у частиц, которые по всем известным физическим законам не должны её иметь.
Вселенная на весах
Все на свете состоит из элементарных частиц. Любое явление, от взрыва сверхновой до дружеского объятия, в конечном счете сводится к взаимодействию между частицами. Законы, управляющие ими, и есть самые фундаментальные законы Вселенной. Вот пример «детского» вопроса, за ответом на который придется прогуляться в мир элементарных частиц. Почему мы сами и все предметы вокруг нас имеют массу?
Ваши напольные весы показывают суммарную массу частиц, из которых вы состоите. Но не все элементарные частицы в мире имеют массу. Например, масса фотона — частицы света — равна нулю. Раз одни частицы имеют массу, а другие нет, этому должна быть причина.
Начнем с того, что человек состоит из атомов. Атом же состоит из ядра и движущихся вокруг него электронов. Атомное ядро, в свою очередь, составлено из протонов и нейтронов. Протон и нейтрон близки по массе и примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Они и составляют почти всю массу человеческого тела: на долю электронов приходятся какие-то граммы.
Протоны и нейтроны состоят из более фундаментальных частиц — кварков. Кварки притягиваются друг с другу с огромной силой. Масса протона или нейтрона складывается из собственной массы кварков и энергии их притяжения, пересчитанной в массу по знаменитой формуле E=mc2. На эту энергию и приходится более 99% массы протонов и нейтронов, а, следовательно, и человеческого тела.
Осталось разобраться, почему имеют массу сами кварки, а также электроны, вклад которых мал, но вполне заметен. В двух словах их наделяет массой поле Хиггса, частицу которого — тот самый бозон Хиггса — обнаружили в 2012 году на Большом адронном коллайдере.
Кажется, что загадка массы полностью разгадана. По крайней мере, Стандартная модель — главная теория в физике элементарных частиц — не предлагает никаких других механизмов, наделяющих массой какие бы то ни было частицы.
Между тем такие механизмы есть. Это значит, что существуют фундаментальные законы материи, о которых Стандартная модель «не подозревает». Физики только начинают подступаться к этим законам. Ключ к ним кроется в почти неуловимой частице — нейтрино.
Загадочные невидимки
Нейтрино вездесущи. Каждую секунду каждый квадратный сантиметр вашего тела насквозь прошивают десятки миллиардов этих частиц, рожденных в центре Солнца. Они образуются также в атомных реакторах, в недрах земного шара, где распадаются радиоактивные элементы, в атмосфере, где космические частицы сталкиваются с атомами воздуха — практически везде, где идут хоть какие-то ядерные реакции.
Существует не один, а три вида нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Стандартная модель четко указывает, что все три, во-первых, не имеют массы, а во-вторых, не превращаются друг в друга. Однако многочисленные эксперименты убедили физиков, что такие превращения происходят. Единственное возможное объяснение — нейтрино имеют массу, пусть и небольшую. За открытие «перевоплощений» нейтрино Такааки Кадзита и Артур Макдональд в 2015 году получили Нобелевскую премию по физике. И было за что: это ни много ни мало единственный надежный экспериментальный результат, противоречащий
Читать далее...