От великого к малому
На основе сравнения массы удаленных галактик сегодня и несколько миллиардов лет назад, ученые из Великобритании получили более точные пределы для массы нейтрино. Наблюдения позволили уточнить результат почти вдвое.
Нейтрино – стабильные нейтральные частицы, отвечающие за слабые и гравитационные взаимодействия. Из-за чрезвычайно слабого взаимодействия с веществом эти легкие частицы практически невозможно зафиксировать на эксперименте, не говоря уже об идеях зафиксировать несколько частиц в одном месте. При этом многие фундаментальные вопросы науки, если можно так выразиться, «упираются» в вычисление точной массы этой частицы.
Совсем недавно нейтрино, существующие в трех разновидностях (или «ароматах»: электроны, мюоны и тау нейтрино), описывались в рамках Стандартной модели Вселенной как невесомые. Однако, открытия, сделанные в 1998 году в японской обсерватории Super Kamiokande, показали первые отклонения от Стандартной модели. Тогда ученые получили первые прямые доказательства того, что нейтрино на самом деле осциллируют между своими тремя «ароматами». Теоретически это возможно только в том случае, если нейтрино имеет ненулевую массу покоя. Таким образом, можно предположить, что данные частицы имеют три «массовых состояния» (каждое из которых представляет собой суперпозицию трех «ароматов» с фиксированными коэффициентами). Детали новой модели, однако, на сегодняшний день достаточно туманны, т.к. неизвестна ни точная масса нейтрино, ни природа осцилляций.
Очевидно, что пока ученые могут оперировать лишь пределами для значения массы. Для расчета этих пределов существует несколько методов, но в последние десятилетия явное лидерство получила наблюдательная космология.
Известно, что нейтрино рождались во Вселенной в большом количестве ранее, когда средняя температура Галактик и окружающего их пространства была около одного миллиона градусов по шкале Кельвина. В этих условиях нейтрино очевидным образом являлись ультрарелятивистскими частицами; более того, именно они доминировали в радиационном фоне Вселенной. Сегодня средняя температура Вселенной достаточно низка – около 2,7 градусов по шкале Кельвина. В этих условиях нейтрино является нерелятивистской частицей. Метаморфоза, произошедшая с частицей (переход из класса релятивистских в нерелятивистские), – весьма специфический эффект для нейтрино, имеющего конечную, но малую массу. Подробное изучение этого перехода (в частности, сравнение характеристик различных нейтрино, зафиксированных при помощи детекторов) и может дать полную массу нейтрино.
Методы, применявшиеся ранее, даже в совокупности давали верхнюю границу для массы нейтрино (суммы масс нейтрино трех «семейств») в 0,58 эВ. В своей последней работе ученые из University College London (Великобритания) существенно уточнили эту границу. Полный текст работы опубликован в журнале Physical Review Letters. Приведенный расчет основывается на недавно полученном распределении плотностей удаленных галактик. По мнению исследователей, полная масса частицы не может превышать 0,28 эВ.
На данный момент сложно переоценить вклад данного открытия, т.к., вероятно, уточнения позволят объяснить преобладание во Вселенной вещества над антивеществом. Естественно, исследования в данном направлении будут продолжаться.
