Nowe cząstki, czy nowe prawa fizyki? Znów coś się nie zgadza w eksperymentach

Obserwatorium Neutrin Baksan powstało pod koniec lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku kilkanaście kilometrów od góry Elbrus, najwyższego szczytu Kaukazu. W głębokim wąwozie wyżłobionym przez rzekę Baksan, ponad 2 km pod powierzchnią skał prowadzony był SAGE, Soviet-American Gallium Experiment, rozpoczęty jeszcze w 1989 roku (stąd sowiecki człon w nazwie).

To wspólne przedsięwzięcie amerykańskich i rosyjskich fizyków tropiło nieuchwytne cząstki elementarne - neutrina. Są pozbawione ładunku elektrycznego i mają znikomą masę (długo uważano, że są jej całkiem pozbawione). Z tego powodu niezwykle rzadko oddziałują z resztą materii. Muszą uderzyć precyzyjnie w atomowe jądro.

Jądro musi jednak również być odpowiednie. Dwa kilometry pod masywem Elbrusu naukowcy zgromadzili ponad 50 ton galu (a konkretnie jego izotopu o liczbie masowej 71). Jeśli w jądro galu-71 uderzy odpowiednie neutrino, zamienia się w jądro germanu i emituje pozytron (czyli antyelektron). Takich niezwykle rzadkich śladów poszukiwał SAGE.

W pierwszym etapie eksperymentu, który trwał do 2007 roku takich zderzeń było zaledwie 168, czyli około dziesięciu na rok. Wskazywały, że jądra galu zamieniają się w jądra germanu 20 do 24 proc. rzadziej niż powinny. Nazwano to "anomalią galową".

Neutrina, które przenikają Ziemię (i od czasu do czasu uderzają w atomowe jądra) pochodzą z reakcji jądrowych w Słońcu. Nie było wykluczone, że fizycy przeszacowali, ile neutrin powstaje w Słońcu. Ale było to mało prawdopodobne.

Teraz naukowcy w “Physical Review Letters" oraz “Physical Review C" publikują wyniki innego eksperymentu prowadzonego w Baksanie, BEST, który miał rozwiązać tę zagadkę. Polegał na sztucznym źródle neutrin (pochodzących z rozpadu nietrwałego chromu-51). Ich liczbę fizycy mogą wyliczyć bardzo dokładnie.

Neutrina te także przenikały zbiorniki z galem-71, który po uderzeniu neutrina zamieniał się w german-71, a fizycy skrupulatnie zliczali ślady powstających w tej kolizji pozytronów. Okazało się, że neutrin nadal jest za mało.

To nie fizycy źle wyliczają, ile neutrin powstaje w Słońcu. Neutrin zawsze powstaje mniej niż przewiduje fizyka - a dokładniej Model Standardowy, opisujący wszystkie znane cząstki.

Paradoksalnie, wyniki eksperymentu bardzo cieszą fizyków, bo wskazują na ślad nowej cząstki, której nie ma w Modelu Standardowym - neutrina sterylnego.

Model Standardowy nie jest niezmienny. Prócz protonów i neutronów, z których składają się atomowe jądra i elektronów, które krążą wokół nich, uwzględniał także neutrina. Początkowo uważano, że nie mają masy i jest ich jeden rodzaj.

Eksperymenty wykrywały jednak tylko jedną trzecią neutrin, które powinny dochodzić do Ziemi ze Słońca. Wtedy zaproponowano, że istnieją trzy rodzaje neutrin (eksperymenty wykrywały tylko jeden ich rodzaj, stąd taki wynik).

Późniejsze inne pomiary wykazały, że istotnie, są trzy rodzaje neutrin (elektronowe, mionowe i taonowe), które regularnie zmieniają się jedne w drugie. Za to odkrycie przyznano nagrodę Nobla z fizyki w 2015 roku. Cząstki bez masy nie mogą się zmieniać, więc oznacza to, że neutrina muszą jednak mieć masę. Jest jednak tak niewielka, że dopiero niedawno udało się ją zmierzyć.

Neutrino sterylne byłoby czwartym rodzajem neutrin. Nigdy nie oddziaływałoby z materią inaczej niż poprzez siłę grawitacji. Byłoby zatem doskonałym kandydatem na cząstki tworzące ciemną materię. To materia, której nie widać, ale astronomowie wyraźnie widzą skutki jej przyciągania. Jest jej we Wszechświecie pięć razy więcej niż “zwykłej", widzialnej materii.

Amerykańscy i rosyjscy fizycy wiedzą, że “nazdwyczajne twierdzenia wymagają nadzwyczajnych dowodów" i wszystko bardzo skrupulatnie policzyli. Sądzą, że w ich pomiarach nie ma błędu. Albo istnieją neutrina sterylne, albo prawa fizyki są inne niż dotąd się wydawało.

To pokażą kolejne eksperymenty z innymi źródłami neutrin, które planują.

Fizycy na całym świecie prowadzą dziesiątki eksperymentów, które mają zmierzyć oscylacje neutrin, czyli tempo, w jakim się zmieniają jedne w drugie.

Jednym z takich eksperymentów jest prowadzony w USA MiniBoone. W październiku ubiegłego roku naukowcy ogłosili, że nie znaleźli śladów neutrin sterylnych. Ale wykrywali nadmiar elektronów. Nadmiar elektronów może wskazywać na dwie rzeczy. To, że neutrina sterylne są nietrwałe i się rozpadają albo to, że istnieją inne hipotetyczne cząstki - aksjony. 

Z kolei w kwietniu tego roku grupa fizyków z europejskiego CERN ogłosiła wyniki pomiarów cząstki zwanej bozonem W. Okazała się cięższa, niż teoretycznie powinna.

Fizycy są w kropce, ale i mają nadzieję na przełom. Jeszcze nie wiadomo dokładnie co, ale coś ukrywa się poza przyjętym w fizyce Modelem Standardowym.