Загадка галію - стара проблема кидає виклик сучасній фізиці

Майже 40-річні експерименти підкинули фізикам-ядерникам завдання, від якого голова йде кругом.

Галій – цікавий метал. Він твердий, але тільки поки ви не візьмете його в руки, тому що від тепла долонь він перетворюється на рідину. Фізики мають особливе застосування для одного з двох стабільних ізотопів галію: з його допомогою можна вивчати сонячні нейтрино. Але вчені зіштовхнулися з загадкою, яка може перевернути всю сучасну фізику.

Проблема не в самому галії. Стандартна модель фізики елементарних частинок - можливо, одна з найточніших теорій, коли-небудь створених людством, але має межі. Ми знаємо про це, але не знаємо, де саме проходять ці межі та що знаходиться за ними. І тут на сцену виходить цей незвичайний метал.

Три аромати нейтрино

Коли атом галію-71 взаємодіє з електронними нейтрино, він перетворюється на германій-71 та електрон. На відміну від галію, германій-71 нестабільний і розпадається з періодом піврозпаду 11,4 дні назад у галій, що зручно і для вимірювання, і для подальших досліджень.

Нейтрино - дивні дрібні частинки. Відомо три їх типи: електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино. Це так звані “аромати”. У них немає електричного заряду, а їхня маса настільки мала, що довгий час вважалося, що її взагалі немає. Нейтрино можуть безперешкодно долати міжгалактичні відстані. Кожну секунду через ваше тіло пролітає 100 трлн нейтрино, але ви цього не відчуваєте, настільки рідко вони взаємодіють з речовиною.

Нейтрино народжуються у різних фізичних процесах, зокрема у реакціях термоядерного синтезу у ядрі Сонця. Але в міру своєї подорожі вони змінюються. Змінюються їх “аромати”: електронні нейтрино перетворюються на мюонні, мюонні – на тау-нейтрино, і навпаки. Співвідношення цих перетворень, званих осциляціями, передбачається спостереженнями та теорією.

І ось тут і починаються складнощі. Експерименти з галієм показують, що утворюється недостатньо германію.

Експерименти вказують на прогалину в теорії

Перші підозри з'явилися в результаті радянсько-американського галієвого експерименту, який розпочався 1989 року і тривав кілька десятиліть. Через два роки в Італії стартував ще один експеримент під назвою GALLEX. Обидва експерименти показали дефіцит германію. Так було виявлено "аномалію галію".

Якщо перефразувати Шекспіра, то помилка не в нашій зірці, а нашому виборі елемента. Подальше дослідження BEST (Баксанський експеримент зі стерильних переходів) піддало галій впливу нейтрино за допомогою радіоактивного хрому (інтенсивного джерела нейтрино). Передбачалося, що проблема може полягати в неправильній оцінці сонячних нейтрино. Однак і в цьому випадку вихід германію-71 виявився нижчим за очікуваний - на 20-24%.

Ще однією гіпотезою було неповне розуміння взаємодії нейтрино з галієм. Ця гіпотеза була уточнена 2023 року, але аномалія нікуди не поділася.

Також розглядалася версія про те, що період напіврозпаду германію-71, що становить 11,4 дні, було виміряно неточно. Але ця гіпотеза не підтвердилася. Аномалія завзято не хоче зникати.

Загадкове стерильне нейтрино

Ми не стверджуємо, що у “меню” Стандартної моделі є якісь секретні частки. Але ми згадували про її обмеження. Можливо, існують інші частинки, наприклад, гіпотетичні стерильні нейтрино, які взаємодіють зі звичайною речовиною тільки через гравітацію. Раніше існування стерильного нейтрино з масою приблизно у двісті разів менше маси електрона було спростовано іншими експериментами. Але результати BEST вказують на те, що маса стерильного нейтрино може бути більшою.

Звичайно, стерильне нейтрино – не єдине можливе пояснення. Можливо, вчені щось упустили в експериментах. А можливо, існує зовсім інше пояснення, що виходить за рамки Стандартної моделі. Поки ми не знаємо відповіді, але сам факт того, що такий простий метал як галій може стати ключем до нового розуміння Всесвіту, не може не зачаровувати.

---

© знайдено в мережі