NeutrinoHit

Лёд тронулся Сегодня Нобелевскую премию по физике получил Фрэнсис Хальцен — за вклад в создание обсерватории IceCube и открытие астрофизических нейтрино высоких энергий. За этим результатом стоят десятилетия работы. Телескоп IceCube расположен на Южном полюсе: кубический километр антарктического льда, нашпигованный датчиками света. Однажды я обедал в рабочей столовой JUNO вместе с Фрэнсисом и сказал ему, что он станет нобелевским лауреатом, а следом — руководитель Daya Bay и JUNO Ифан Ван. Фрэнсис горячо возразил насчёт себя. Я ответил — дело же не в тебе — а в открытии. А оно того достойно. С этим он спорить не стал и мы доели китайскую лапшу. Но это мы немного отвлеклись. Нейтрино могут пройти сквозь всю Землю. Но иногда одно из них сталкивается с ядром во льду или в воде. Возникают заряженные частицы, которые излучают свет. Его и регистрирует телескоп. Энергии таких нейтрино могут в миллиарды раз превышать энергии солнечных. Откуда они приходят? Из бурной молодости далёких галактик. Чёрные дыры, аккреционные диски, разрываемые звёзды — всё такое. Некоторые из этих частиц добирались до нас миллиарды лет. Основные вехи IceCube: — 2013 год: обнаружен поток астрофизических нейтрино высоких энергий; — 2017–2018: первые свидетельства связи нейтрино с конкретным источником — блазаром TXS 0506+056; — 2022: свидетельства нейтринного излучения активной галактики NGC 1068; — 2023: нейтрино из нашей Галактики. Так начала развиваться нейтринная астрономия высоких энергий. А где здесь Россия? Россия участвовала в этой истории с самого начала. Идею регистрировать нейтрино под водой предложил в 1960 году академик Моисей Марков. На Байкале её воплотил с коллегами Григорий Домогацкий — бессменный руководитель байкальского нейтринного телескопа, член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ИЯИ РАН. Он скоропостижно ушёл из жизни в конце 2024 года. В девяностые Байкал стал кузницей кадров для мировой нейтринной астрономии. Достаточно вспомнить Кристиана Шпиринга, работавшего и на Байкале, и на Южном полюсе. Я считаю, что вместе с Хальценом эту премию заслужил и Григорий Владимирович. Как жаль, что он не дожил… Что происходит на Байкале сегодня? Байкальский телескоп — крупнейший в Северном полушарии. Он уже независимо подтвердил существование потока астрофизических нейтрино, обнаруженного IceCube. В апреле 2021 года установка зарегистрировала каскад с энергией около 224 ТэВ с направления того самого блазара TXS 0506+056. Это ещё один аргумент в пользу того, что блазары рождают нейтрино таких бешеных энергий. В совместном анализе данных Байкал-GVD и IceCube обнаружен избыток нейтрино с энергиями выше 200 ТэВ вблизи плоскости Млечного Пути. Байкальские данные усиливают значимость свидельства их галактического происхождения. У нашего сибирского озера здесь есть преимущество: в воде свет меньше рассеивается, чем во льду, поэтому по таким каскадам можно точнее восстановить направление прихода нейтрино. Установкой сегодня руководят главный научный сотрудник ИЯИ РАН, дфмн Жан-Арыс Джилкибаев и начальник байкальской установки в ОИЯИ Игорь Белолаптиков. Телескоп нужен и для подготовки людей. А люди нужны для телескопа. В двухгодичной онлайн-программе «Физика нейтрино и астрофизика частиц» НИИЯФ МГУ и центра «Тичин» при научной поддержке ОИЯИ слушатели смогут работать в действующих коллаборациях, включая Байкал-GVD. А магистерский трек «Мегасайенс», который ИТМО открыл совместно с ОИЯИ, предусматривает работу с данными телескопа и стажировки на установке. Будут ли новые открытия? Ну, а сами то вы как думаете?! Конечно! Именно для этого нам надо учиться и работать. А лауреата и всех нас я искренно поздравляю! Хотите узнать раньше всех имя следующего нобелевского лаурета по физике? Следите за списком премии Понтекорво.

🟢 ⏳ 3 мин #астрономия #гравитация Хвосты, мосты и братья Тумре Почти все галактики не видны невооружённым глазом, а самые яркие похожи на туманные пятна. Но у них есть структура. Они бывают: спиральные, эллиптические, линзовидные и нерегулярные. А ещё бывают странные, аномальные — с мостами и хвостами, типа «Антенны» или «Мыши». Они такими рождаются? А почему именно такими? Долгое время ответа на эти вопросы не было. В 1972 году братья астрофизики Алар и Юри Тумре написали компьютерный код, основанный на решении уравнений ньютоновской гравитации, чтобы выяснить, что будет, если одна галактика пройдёт мимо другой. Мосты и хвосты выросли сами, из одной гравитации! Через пять лет Алар пошёл дальше: если галактики не разлетаются, а сливаются, то из двух спиральных получается эллиптическая. Это стало революцией в астрофизике. То, что когда-то было революцией, теперь под силу любому студенту. И даже доктору наук. В этом посте мы воспроизведём некоторые результаты братьев Тумре. Возьмём два тяжёлых ядра и добавим вокруг каждого из них диск из звёзд. У меня их около ста тысяч. Звёзды чувствуют только ядра, друг друга они не замечают. Так считали и братья Тумре. От себя я добавил тёмное гало (невидимое облако вокруг галактики) и динамическое трение. Без трения две галактики кружили бы друг вокруг друга вечно. С ним хватило трёх сближений. Запустим галактики навстречу друг другу и посмотрим, что будет происходить со звёздами. Покрасим звёзды, чтобы легче было за ними наблюдать. Цвет условный: оранжевые звёзды из первой галактики, голубые из второй. Что же получилось? — В первый пролёт гравитация раскручивает в дисках спиральные рукава и тянет из них мосты и хвосты. — Между сближениями галактики выглядят в точности как странные красавицы с картинок. — После третьего ядра слипаются, рукава размазываются, звёзды разбредаются по вытянутым орбитам. — Остаётся округлый светящийся шар. Две спиральные перешли в лагерь эллиптических. Наблюдения подтверждают такие вычисления. Мы видим подобные пары на самых разных стадиях. У знаменитого «Водоворота» рукава, по-видимому, раскручены соседкой. Тот же Алар в 1977 году выстроил реальные пары в ряд, от двух разошедшихся дисков до одного гладкого шара. Получилось кино, собранное из кадров с разными парами галактических танцоров. Одна галактика сливается слишком долго, чтобы мы увидели весь фильм. Зато в небе хватает героев на любой стадии. Звёзды при этом почти не сталкиваются — они слишком далеки друг от друга. От Солнца до ближайшей соседки около 29 миллионов солнечных диаметров. Две галактики проходят друг сквозь друга, а звёзды этого не замечают. Навстречу Млечному Пути мчится прекрасная Андромеда. Со скоростью около 110 км/с. Если встреча состоится — появится новая большая эллиптическая галактика — Милкомеда. Ждать ли нам этой встречи? Решайте сами. По последним оценкам, шансы 50 на 50 в ближайшие 10 миллиардов лет.

Сила логики. Нейтрино это частица Майорана. Вот строгое, чисто логическое доказательство. Его автором был Борис Кайзер — прекрасный физик и замечательный человек. Мы встретились на школе Понтекорво в 2019 году, где оба читали лекции, познакомились, подружились и потом очень много времени провели за разговорами о физике. Борис умел говорить о серьёзных вещах легко, точно и с прекрасным чувством юмора. Вот одно из его «доказательств», что нейтрино — майорановская частица. 1. На доске написаны три утверждения. 2. Ровно два из этих утверждений неверны. 3. Нейтрино — майорановская частица. Первое утверждение, очевидно, истинно. Предположим, что второе утверждение истинно. Тогда неверными должны быть первое и третье. Но первое мы уже знаем как истинное. Противоречие. Значит, второе утверждение неверно. Следовательно, число неверных утверждений не равно двум. Возможны 0, 1 или 3. Ноль быть не может: второе утверждение уже неверно. Три тоже быть не может: первое утверждение истинно. Остаётся ровно одно неверное утверждение — второе. Значит, первое и третье утверждения истинны. А третье утверждение гласит: «Нейтрино — майорановская частица». Что и требовалось доказать. Между прочим, прекрасный лайфхак для жизни. Кстати, зачем тратятся деньги на экспериментальное исследование этого вопроса?

Меня иногда спрашивают: почему я работаю в нейтринной физике, а не пауэрлифтером, например? Штош. Вот моя история. Когда я был маленьким, я прочитал в одной умной книжке про хамелеона. Он умеет менять цвет, чтобы сливаться с окружающим пейзажем. Я очень просил родителей купить мне хамелеона. Мама сказала: — Только через мой труп. Папа сказал: — У меня есть идея получше. Мы подарим тебе квантового хамелеона — нейтрино. Нам недавно завезли партию для опытов и я отложу для тебя одно. Я очень обрадовался. У меня будет свой квантовый хамелеон! Слово "квантовый" явно добавляло ему ценности, хотя я не знал, что оно значит. Через несколько дней папа принёс мне спичечный коробок. На нём было написано: «КВАНТОВЫЙ ХАМЕЛЕОН» А снизу мелкими буквами: «НЕЙТРИНО - 1 шт. НЕ ОТКРЫВАТЬ. УЛЕТИТ». Коробок до сих пор у меня. Все это время я переживаю: а вдруг оно давно улетело? А недавно мне пришел в голову крамольный вопрос "а было ли оно там вообще?" Что вы думаете?

Барионное число — 4/4. Почему вещества больше? При аннигиляции бариона и антибариона исчезает по одной частице с каждой стороны. Разность их чисел сохраняется. Значит, чтобы после аннигиляции остался избыток барионов, этот избыток уже должен был откуда-то взяться. Можно предположить, что Вселенная с ним родилась. Мы не знаем её начальных условий настолько хорошо, чтобы исключить такую возможность. Предположим, что первоначально барионов и антибарионов было поровну. Могло ли вещество получить преимущество в результате взаимодействий частиц? Такое возникновение барионной асимметрии называют бариогенезом. В 1967 году Андрей Сахаров сформулировал три необходимых условия для этого. 1. Нарушение барионного числа. Если B сохраняется, из начального B = 0 невозможно получить B ≠ 0. С этой частью мы уже знакомы. Сфалеронные переходы из предыдущего поста позволяют менять барионное число. 2. Нарушение C- и CP-симметрий. Преобразование C заменяет все частицы античастицами. Преобразование CP дополнительно зеркально отражает пространственную картину процесса. Если сохраняется хотя бы одна из этих симметрий, то в первоначально симметричной среде процессы, создающие избыток барионов, будут компенсироваться процессами, создающими избыток антибарионов. Для появления асимметрии вероятности соответствующих процессов должны различаться. 1. Отклонение от теплового равновесия. В полном равновесии совокупность реакций не создаёт барионного избытка из симметричного состояния, даже при нарушении CP. В расширяющейся Вселенной равновесие может нарушаться: температура и плотность падают, некоторые реакции становятся слишком редкими и уже не успевают поддерживать равновесные количества частиц. В таких условиях асимметрия может возникнуть и сохраниться. Справляется ли с этим Стандартная модель? Нарушение барионного числа в ней, таки, есть. Нарушение C и CP в слабых взаимодействиях тоже есть. Однако получить наблюдаемую барионную асимметрию в рамках Стандартной модели при обычной тепловой истории Вселенной не удаётся. Известное нарушение CP даёт слишком маленький эффект. Кроме того, при охлаждении Вселенной состояние поля Хиггса меняется плавно, без сильного отклонения от равновесия, необходимого для обычного сценария электрослабого бариогенеза. Поэтому в таких моделях приходится добавлять новые поля или взаимодействия. Сами сфалероны тоже не имеют предпочтения в пользу вещества. Переходы могут как увеличивать, так и уменьшать B. Более того, при установлении равновесия они способны стереть уже созданную барионную асимметрию, если B − L = 0. А вот ненулевая разность B − L переживёт действие сфалеронов: эту комбинацию они сохраняют. Может ли помочь нейтрино? В любой непонятной ситуации можно одно непонятное объяснить другим непонятным. Предположим существование очень тяжёлых майорановских нейтральных лептонов. Некоторые их называют “нейтрино”. Они могут распадаться с образованием лептонов или антилептонов. При нарушении CP вероятности этих распадов могут различаться. Если распады происходят вне теплового равновесия, возникает различие в количествах лептонов и антилептонов. Барионное число на этом этапе может оставаться нулевым. Но лептонное число уже отлично от нуля, а значит, появилась ненулевая разность B − L. Сфалеронные переходы перераспределяют эту асимметрию между лептонами и барионами. В результате возникает и барионный избыток. Такой сценарий называют лептогенезом. У него есть дополнительное достоинство: те же тяжёлые нейтрино могут объяснять малость масс обычных нейтрино. Поэтому изучение нейтринных масс и поиск процессов, нарушающих лептонное число, имеют прямое отношение к проверке этих моделей. При этом даже обнаружение CP-нарушения в нейтринных осцилляциях само по себе ещё не докажет, что барионная асимметрия возникла через лептогенез. Связь между этими явлениями зависит от устройства модели. Лептогенез — один из возможных механизмов. Какой из них сработал в ранней Вселенной, пока неизвестно. Наблюдаемую асимметрию мы умеем измерять: сегодня на десять миллиардов фотонов реликтового излучения приходится примерно шесть барионов. Происхождение этого соотношения все еще остаётся загадкой. Вот куда нас вывел простой вопрос о том, стабильнее ли система из трех кварков по сравнению с системой из двух кварков. И тут, уместно вернуться снова на Землю и спросить — а почему барионное число приписывают именно кваркам? В недавней статье Physics World о результатах STAR обсуждается гипотеза, связывающая его перенос с Y-образным узлом глюонного поля, соединяющим три кварка. В этой картине исходные кварки протона могут уйти в мезоны, а около узла соберётся барион из других кварков. Как это согласуется с B = 1/3 у каждого кварка? Придётся написать пятую часть из четырёх. Это будет вам бонусом — подарок от фирмы. 1 • 2 • 3 • 4

Лептогенез — один из возможных механизмов. Какой из них сработал в ранней Вселенной, пока неизвестно. Наблюдаемую асимметрию мы умеем измерять: сегодня на десять миллиардов фотонов реликтового излучения приходится примерно шесть барионов. Происхождение этого соотношения все еще остаётся загадкой. Вот куда нас вывел простой вопрос о том, стабильнее ли система из трех кварков по сравнению с системой из двух кварков. И тут, уместно вернуться снова на Землю и спросить — а почему барионное число приписывают именно кваркам? В недавней статье Physics World о результатах STAR обсуждается гипотеза, связывающая его перенос с Y-образным узлом глюонного поля, соединяющим три кварка. В этой картине исходные кварки протона могут уйти в мезоны, а около узла соберётся барион из других кварков. Как это согласуется с B = 1/3 у каждого кварка? Придётся написать пятую часть из четырёх. Это будет вам бонусом — подарок от фирмы. 1 • 2 • 3 • 4

Барионное число — 4/4. Почему вещества больше? При аннигиляции бариона и антибариона исчезает по одной частице с каждой стороны. Разность их чисел сохраняется. Значит, чтобы после аннигиляции остался избыток барионов, этот избыток уже должен был откуда-то взяться. Можно предположить, что Вселенная с ним родилась. Мы не знаем её начальных условий настолько хорошо, чтобы исключить такую возможность. Предположим, что первоначально барионов и антибарионов было поровну. Могло ли вещество получить преимущество в результате взаимодействий частиц? Такое возникновение барионной асимметрии называют бариогенезом. В 1967 году Андрей Сахаров сформулировал три необходимых условия для этого. 1. Нарушение барионного числа. Если B сохраняется, из начального B = 0 невозможно получить B ≠ 0. С этой частью мы уже знакомы. Сфалеронные переходы из предыдущего поста позволяют менять барионное число. 2. Нарушение C- и CP-симметрий. Преобразование C заменяет все частицы античастицами. Преобразование CP дополнительно зеркально отражает пространственную картину процесса. Если сохраняется хотя бы одна из этих симметрий, то в первоначально симметричной среде процессы, создающие избыток барионов, будут компенсироваться процессами, создающими избыток антибарионов. Для появления асимметрии вероятности соответствующих процессов должны различаться. 1. Отклонение от теплового равновесия. В полном равновесии совокупность реакций не создаёт барионного избытка из симметричного состояния, даже при нарушении CP. В расширяющейся Вселенной равновесие может нарушаться: температура и плотность падают, некоторые реакции становятся слишком редкими и уже не успевают поддерживать равновесные количества частиц. В таких условиях асимметрия может возникнуть и сохраниться. Справляется ли с этим Стандартная модель? Нарушение барионного числа в ней, таки, есть. Нарушение C и CP в слабых взаимодействиях тоже есть. Однако получить наблюдаемую барионную асимметрию в рамках Стандартной модели при обычной тепловой истории Вселенной не удаётся. Известное нарушение CP даёт слишком маленький эффект. Кроме того, при охлаждении Вселенной состояние поля Хиггса меняется плавно, без сильного отклонения от равновесия, необходимого для обычного сценария электрослабого бариогенеза. Поэтому в таких моделях приходится добавлять новые поля или взаимодействия. Сами сфалероны тоже не имеют предпочтения в пользу вещества. Переходы могут как увеличивать, так и уменьшать B. Более того, при установлении равновесия они способны стереть уже созданную барионную асимметрию, если B − L = 0. А вот ненулевая разность B − L переживёт действие сфалеронов: эту комбинацию они сохраняют. Может ли помочь нейтрино? В любой непонятной ситуации можно одно непонятное объяснить другим непонятным. Предположим существование очень тяжёлых майорановских нейтральных лептонов. Некоторые их называют “нейтрино”. Они могут распадаться с образованием лептонов или антилептонов. При нарушении CP вероятности этих распадов могут различаться. Если распады происходят вне теплового равновесия, возникает различие в количествах лептонов и антилептонов. Барионное число на этом этапе может оставаться нулевым. Но лептонное число уже отлично от нуля, а значит, появилась ненулевая разность B − L. Сфалеронные переходы перераспределяют эту асимметрию между лептонами и барионами. В результате возникает и барионный избыток. Такой сценарий называют лептогенезом. У него есть дополнительное достоинство: те же тяжёлые нейтрино могут объяснять малость масс обычных нейтрино. Поэтому изучение нейтринных масс и поиск процессов, нарушающих лептонное число, имеют прямое отношение к проверке этих моделей. При этом даже обнаружение CP-нарушения в нейтринных осцилляциях само по себе ещё не докажет, что барионная асимметрия возникла через лептогенез. Связь между этими явлениями зависит от устройства модели.

Барионное число — 4/4. Почему вещества больше? При аннигиляции бариона и антибариона исчезает по одной частице с каждой стороны. Разность их чисел сохраняется. Значит, чтобы после аннигиляции остался избыток барионов, этот избыток уже должен был откуда-то взяться. Можно предположить, что Вселенная с ним родилась. Мы не знаем её начальных условий настолько хорошо, чтобы исключить такую возможность. Предположим, что первоначально барионов и антибарионов было поровну. Могло ли вещество получить преимущество в результате взаимодействий частиц? Такое возникновение барионной асимметрии называют бариогенезом. В 1967 году Андрей Сахаров сформулировал три необходимых условия для этого. 1. Нарушение барионного числа. Если B сохраняется, из начального B = 0 невозможно получить B ≠ 0. С этой частью мы уже знакомы. Сфалеронные переходы из предыдущего поста позволяют менять барионное число. 2. Нарушение C- и CP-симметрий. Преобразование C заменяет все частицы античастицами. Преобразование CP дополнительно зеркально отражает пространственную картину процесса. Если сохраняется хотя бы одна из этих симметрий, то в первоначально симметричной среде процессы, создающие избыток барионов, будут компенсироваться процессами, создающими избыток антибарионов. Для появления асимметрии вероятности соответствующих процессов должны различаться. 1. Отклонение от теплового равновесия. В полном равновесии совокупность реакций не создаёт барионного избытка из симметричного состояния, даже при нарушении CP. В расширяющейся Вселенной равновесие может нарушаться: температура и плотность падают, некоторые реакции становятся слишком редкими и уже не успевают поддерживать равновесные количества частиц. В таких условиях асимметрия может возникнуть и сохраниться. Справляется ли с этим Стандартная модель? Нарушение барионного числа в ней, таки, есть. Нарушение C и CP в слабых взаимодействиях тоже есть. Однако получить наблюдаемую барионную асимметрию в рамках Стандартной модели при обычной тепловой истории Вселенной не удаётся. Известное нарушение CP даёт слишком маленький эффект. Кроме того, при охлаждении Вселенной состояние поля Хиггса меняется плавно, без сильного отклонения от равновесия, необходимого для обычного сценария электрослабого бариогенеза. Поэтому в таких моделях приходится добавлять новые поля или взаимодействия. Сами сфалероны тоже не имеют предпочтения в пользу вещества. Переходы могут как увеличивать, так и уменьшать B. Более того, при установлении равновесия они способны стереть уже созданную барионную асимметрию, если B − L = 0. А вот ненулевая разность B − L переживёт действие сфалеронов: эту комбинацию они сохраняют. Может ли помочь нейтрино? В любой непонятной ситуации можно одно непонятное объяснить другим непонятным. Предположим существование очень тяжёлых майорановских нейтральных лептонов. Некоторые их называют “нейтрино”. Они могут распадаться с образованием лептонов или антилептонов. При нарушении CP вероятности этих распадов могут различаться. Если распады происходят вне теплового равновесия, возникает различие в количествах лептонов и антилептонов. Барионное число на этом этапе может оставаться нулевым. Но лептонное число уже отлично от нуля, а значит, появилась ненулевая разность B − L. Сфалеронные переходы перераспределяют эту асимметрию между лептонами и барионами. В результате возникает и барионный избыток. Такой сценарий называют лептогенезом. У него есть дополнительное достоинство: те же тяжёлые нейтрино могут объяснять малость масс обычных нейтрино. Поэтому изучение нейтринных масс и поиск процессов, нарушающих лептонное число, имеют прямое отношение к проверке этих моделей. При этом даже обнаружение CP-нарушения в нейтринных осцилляциях само по себе ещё не докажет, что барионная асимметрия возникла через лептогенез. Связь между этими явлениями зависит от устройства модели. Лептогенез — один из возможных механизмов. Какой из них сработал в ранней Вселенной, пока неизвестно. Наблюдаемую асимметрию мы умеем измерять: сегодня на десять миллиардов фотонов реликтового излучения приходится примерно шесть барионов. Происхождение этого соотношения все еще остаётся загадкой. Вот куда нас вывел простой вопрос о том, стабильнее ли система из трех кварков по сравнению с системой из двух кварков. И тут, уместно вернуться снова на Землю и спросить — а почему барионное число приписывают именно кваркам? В недавней статье Physics World о результатах STAR обсуждается гипотеза, связывающая его перенос с Y-образным узлом глюонного поля, соединяющим три кварка. В этой картине исходные кварки протона могут уйти в мезоны, а около узла соберётся барион из других кварков. Как это согласуется с B = 1/3 у каждого кварка? Придётся написать пятую часть из четырёх. Это будет вам бонусом — подарок от фирмы.

Барионное число — 4/4. Почему же вещества больше? При аннигиляции бариона и антибариона исчезает по одной частице с каждой стороны. Разность их чисел сохраняется. Значит, чтобы после аннигиляции остался избыток барионов, этот избыток уже должен был откуда-то взяться. Можно предположить, что Вселенная с ним родилась. Мы не знаем её начальных условий настолько хорошо, чтобы исключить такую возможность. Но попробуем поставить такую задачу: первоначально барионов и антибарионов было поровну. Могло ли вещество получить преимущество в результате взаимодействий частиц? Такое возникновение барионной асимметрии называют бариогенезом. В 1967 году Андрей Сахаров сформулировал три необходимых условия для этого. Первое — нарушение барионного числа. Если B сохраняется, из начального B = 0 невозможно получить B ≠ 0. С этой частью мы уже знакомы. Сфалеронные переходы из предыдущего поста позволяют менять барионное число. Второе — нарушение C- и CP-симметрий. Преобразование C заменяет все частицы античастицами. Преобразование CP дополнительно зеркально отражает пространственную картину процесса. Если сохраняется хотя бы одна из этих симметрий, то в первоначально симметричной среде процессы, создающие избыток барионов, будут компенсироваться процессами, создающими избыток антибарионов. Для появления асимметрии вероятности соответствующих процессов должны различаться. Третье — отклонение от теплового равновесия. В полном равновесии совокупность реакций не создаёт барионного избытка из симметричного состояния, даже при нарушении CP. В расширяющейся Вселенной равновесие может нарушаться: температура и плотность падают, некоторые реакции становятся слишком редкими и уже не успевают поддерживать равновесные количества частиц. В таких условиях асимметрия может возникнуть и сохраниться. Справляется ли с этим Стандартная модель? Нарушение барионного числа в ней есть. Нарушение C и CP в слабых взаимодействиях тоже есть. Однако получить наблюдаемую барионную асимметрию в рамках Стандартной модели при обычной тепловой истории Вселенной не удаётся. Известное нарушение CP даёт слишком маленький эффект. Кроме того, при охлаждении Вселенной состояние поля Хиггса меняется плавно, без сильного отклонения от равновесия, необходимого для обычного сценария электрослабого бариогенеза. Поэтому в таких моделях приходится добавлять новые поля или взаимодействия. Сами сфалероны тоже не имеют предпочтения в пользу вещества. Переходы могут как увеличивать, так и уменьшать B. Более того, при установлении равновесия они способны стереть уже созданную барионную асимметрию, если B − L = 0. А вот ненулевая разность B − L переживёт действие сфалеронов: эту комбинацию они сохраняют. А при чём здесь нейтрино? В некоторых расширениях Стандартной модели появляются тяжёлые майорановские нейтрино — частицы, совпадающие со своими античастицами. Они могут распадаться с образованием лептонов или антилептонов. При нарушении CP вероятности этих распадов могут различаться. Если распады происходят вне теплового равновесия, возникает различие в количествах лептонов и антилептонов. Барионное число на этом этапе может оставаться нулевым. Но лептонное число уже отлично от нуля, а значит, появилась ненулевая разность B − L. Сфалеронные переходы перераспределяют эту асимметрию между лептонами и барионами. В результате возникает и барионный избыток. Такой сценарий называют лептогенезом. У него есть дополнительное достоинство: те же тяжёлые нейтрино могут объяснять малость масс обычных нейтрино. Поэтому изучение нейтринных масс и поиск процессов, нарушающих лептонное число, имеют прямое отношение к проверке этих моделей. При этом даже обнаружение CP-нарушения в нейтринных осцилляциях само по себе ещё не докажет, что барионная асимметрия возникла через лептогенез. Связь между этими явлениями зависит от устройства модели.

Барионное число — 3/4. «Как кто убил?.. … да вы убили, Родион Романыч! Вы и убили-с…» В прошлом посте мы выяснили, что все ренормируемые взаимодействия Стандартной модели автоматически сохраняют барионное число. Но эти рассуждения были на уровне классической теории. После квантования некоторые её симметрии могут нарушаться. Например, некоторый заряд сохраняется в классической теории и может не сохраняться в квантовой. Странно? Да уж! Если не сказать сильнее. Такое явление называется квантовой аномалией. Название хорошо отражает степень изумления теоретиков. С квантовыми аномалиями связана занятная история. В 1949 году молодой Джек Штейнбергер рассчитывал распад нейтрального пиона на два фотона и столкнулся в треугольной диаграмме с тем самым эффектом, который много лет спустя назовут аксиальной аномалией. Согласно красивой легенде, этот результат настолько его изумил, что Штейнбергер решил оставить теорию и заняться экспериментом. Сам он позднее объяснял свой переход несколько прозаичнее — конкурировать с молодыми теоретиками вроде Дайсона ему было тяжело, а в Беркли появились великолепные экспериментальные возможности. Решение оказалось удачным. В 1988 году Штейнбергер получил Нобелевскую премию — уже как экспериментатор, за открытие мюонного нейтрино. Вернемся к барионному числу в Стандартной модели. На квантовом уровне ток барионного числа уже не сохраняется строго. Причём вместе с ним нарушается и лептонное число. Стандартная модель допускает процессы, в которых ΔB = ΔL = 3. Почему именно 3? Потому что у нас три поколения кварков и лептонов. Схематически в одном таком переходе участвуют девять кварков и три лептона. Девять кварков несут B = 3, три лептона — L = 3. При этом разность B − L сохраняется. Откуда берутся такие переходы? У электрослабого поля есть не один вакуум, а бесконечное семейство состояний с одинаковой минимальной энергией, отличающихся своей топологией. Между соседними вакуумами есть энергетический барьер. Переход из одного вакуума в другой как раз и сопровождается изменением барионного и лептонного чисел. При низких температурах переход между соседними вакуумами требует квантового туннелирования через барьер. Вероятность такого процесса ничтожно мала. Поэтому барионы вокруг нас никуда не исчезают. Но в горячей ранней Вселенной ситуация была другой. При достаточно высокой температуре система может не туннелировать сквозь барьер, а перевалить через него. На вершине этого барьера находится особая конфигурация электрослабого поля — сфалерон. Сфалерон — это не частица и это не новое взаимодействие. Это неустойчивое состояние уже известных полей Стандартной модели. Оказавшись около вершины барьера, система сваливается в один из соседних вакуумов, и барионное число меняется. Сфалеронное решение нашли в 1984 году Франс Клинкхамер и Николас Мэнтон. А уже в 1985 году Валерий Кузьмин, Валерий Рубаков и Михаил Шапошников поняли его значение для космологии: при высоких температурах переходы между электрослабыми вакуумами могут происходить достаточно быстро и эффективно менять барионное и лептонное числа ранней Вселенной. Получается занятная ситуация. Сегодня барионное число сохраняется с фантастической точностью. Но сама Стандартная модель не считает его абсолютным законом природы. А в горячей Вселенной нарушение барионного числа могло быть вполне обычным процессом. Наша Вселенная состоит из вещества. Почему после Большого взрыва вещества оказалось больше, чем антивещества? И здесь нарушение барионного числа уже не проблема. Оно просто необходимо.

Барионное число — 2/4. Откуда взялся этот закон сохранения? Одним из важнейших принципов современной квантовой теории поля является принцип калибровочной симметрии. Это возможность определённым образом преобразовывать поля в каждой точке пространства-времени. Такая возможность не бесплатна. Для каждого независимого типа преобразования симметрии приходится вводить в теорию соответствующее векторное поле. Например, электромагнитное поле. Сила этого принципа в том, что заданная симметрия предсказывает вид взаимодействия полей! Например, электрона и электромагнитного поля в квантовой электродинамике. Если есть такая локальная симметрия, то есть и глобальная — когда преобразование одинаково во всех точках пространства-времени. А из глобальной непрерывной симметрии, согласно теореме Нётер, следует закон сохранения. Например, закон сохранения электрического заряда в квантовой электродинамике. С барионным зарядом, или барионным числом, всё иначе. В Стандартной модели нет отдельного «барионного фотона»: барионная симметрия не является калибровочной. И закон сохранения барионного числа в Стандартную модель вообще не вводится! Этот закон там получается сам. Без помощи теоретиков. Вот как это происходит. Берём все поля Стандартной модели — кварки, лептоны, поле Хиггса, калибровочные поля. Требуем определённую калибровочную симметрию и выписываем все ренормируемые взаимодействия, которые эта симметрия разрешает. Оказывается, в результате теория автоматически сохраняет барионное число! Мы этого не требовали, но оказалось, что это так. В теории поля это называют случайной симметрией, по английски — accidental symmetry. «Случайной» не в смысле статистической случайности. Просто мы не требовали её заранее, а она там появилась. Я не знаю как это точнее перевести на русский. При этом, очень важна ренормируемость теории. Если ограничиться ренормируемыми взаимодействиями Стандартной модели, барионное число сохраняется автоматически. Если же расширить Стандартную модель, считая её эффективной теорией и разрешить дополнительные взаимодействия более высокой размерности, то среди них уже появляются взаимодействия, нарушающие барионное число. Но это уже другая история. Так какой ответ на вопрос в названии поста? Так получилось... Но это ещё не вся история. На квантовом уровне сама Стандартная модель всё-таки нарушает барионное число.

Барионное число — 3/4. «Как кто убил?.. … да вы убили, Родион Романыч! Вы и убили-с…» В прошлом посте мы выяснили, что все ренормируемые взаимодействия Стандартной модели автоматически сохраняют барионное число. Но эти рассуждения были на уровне классической теории. После квантования некоторые её симметрии могут нарушаться. Например, некоторый заряд сохраняется в классической теории и может не сохраняться в квантовой. Странно? Да уж! Если не сказать сильнее. Такое явление называется квантовой аномалией. Название хорошо отражает степень изумления теоретиков. С квантовыми аномалиями связана занятная история. В 1949 году молодой Джек Штейнбергер рассчитывал распад нейтрального пиона на два фотона и столкнулся в треугольной диаграмме с тем самым эффектом, который много лет спустя назовут аксиальной аномалией. Согласно красивой легенде, этот результат настолько его смутил, что Штейнбергер решил оставить теорию и заняться экспериментом.

Сам он позднее объяснял свой переход несколько прозаичнее — конкурировать с молодыми теоретиками вроде Дайсона ему было тяжело, а в Беркли появились великолепные экспериментальные возможности. И он «вернулся в своё дикое состояние — эксперимент»

Решение оказалось удачным. В 1988 году Штейнбергер получил Нобелевскую премию — уже как экспериментатор, за открытие мюонного нейтрино. Вернемся к барионному числу в Стандартной модели. На квантовом уровне ток барионного числа уже не сохраняется строго. Причём вместе с ним нарушается и лептонное число. Стандартная модель допускает процессы, в которых ΔB = ΔL = 3. Почему именно 3? Потому что у нас три поколения кварков и лептонов. Схематически в одном таком переходе участвуют девять кварков и три лептона. Девять кварков несут B = 3, три лептона — L = 3. При этом разность B − L сохраняется. Откуда берутся такие переходы? У электрослабого поля есть не один вакуум, а бесконечное семейство состояний с одинаковой минимальной энергией, отличающихся своей топологией. Между соседними вакуумами есть энергетический барьер. Переход из одного вакуума в другой как раз и сопровождается изменением барионного и лептонного чисел. При обычных условиях через этот барьер можно только туннелировать. Вероятность такого процесса фантастически мала. Поэтому барионы вокруг нас никуда не исчезают. Но в горячей ранней Вселенной ситуация была другой. При достаточно высокой температуре система может не туннелировать сквозь барьер, а переступить через него. На вершине этого барьера находится особая конфигурация электрослабого поля — сфалерон. Сфалерон — это не частица и это не новое взаимодействие. Это неустойчивое состояние уже известных полей Стандартной модели. Оказавшись около вершины барьера, система сваливается в один из соседних вакуумов, и барионное число меняется. Сфалеронное решение нашли в 1984 году Франс Клинкхамер и Николас Мэнтон. А уже в 1985 году Валерий Кузьмин, Валерий Рубаков и Михаил Шапошников поняли его значение для космологии: при высоких температурах переходы между электрослабыми вакуумами могут происходить достаточно быстро и эффективно менять барионное и лептонное числа ранней Вселенной. Получается занятная ситуация. Сегодня барионное число сохраняется с фантастической точностью. Но сама Стандартная модель не считает его абсолютным законом природы. А в горячей Вселенной нарушение барионного числа могло быть вполне обычным процессом. Наша Вселенная состоит из вещества. Почему после Большого взрыва вещества оказалось больше, чем антивещества? И здесь нарушение барионного числа уже не проблема. Оно необходимо.

Барионное число — 1/4. Три лучше двух? Обычные адроны делятся на два царства — барионы и мезоны. Барионы имеют три валентных кварка, а мезоны — кварк и антикварк. Мезоны живут ярко, но скоротечно. Например, нейтральный пион живёт около 10⁻¹⁶ секунды и распадается на два фотона. А вот протон, один из положительных представителей барионного царства, насколько мы знаем, стабилен. Логично ли из этого сделать вывод, что система из трёх кварков стабильнее системы из кварка и антикварка? Посмотрим на другие барионы. Нейтрон живёт почти 15 минут. По меркам мира элементарных частиц он тоже долгожитель. А вот Λ⁰-гиперон живёт всего около 2.6×10⁻¹⁰ секунды. Многие возбуждённые состояния барионов распадаются за характерное время сильного взаимодействия, около 10⁻²³ секунды. И это всё системы с тремя валентными кварками. Значит, стабильность протона определяется не тем, насколько прочно три кварка связаны друг с другом. Чем же? У кварков есть квантовое число, которое называется барионным. Каждому кварку приписывается B = 1/3, антикварку B = −1/3. Поэтому у мезона B = 0, а у обычного бариона B = 1. Если барионное число сохраняется, протон оказывается в особом положении. Он — самый лёгкий барион. Чтобы распасться, он должен оставить после себя что-нибудь с B = 1, то есть другой барион. Но любой другой барион тяжелее протона. Поэтому протон просто не может распасться. Нейтрон тяжелее протона, и для него возможен распад на протон, электрон и электронное антинейтрино. Барионное число при этом никуда не делось: было 1 и осталось 1. Стабильность протона следует из закона сохранения барионного числа. Вопрос на миллион: а почему барионное число вообще сохраняется?

Барионное число — 1/4. Три лучше двух? Любая домохозяйка твёрдо знает: обычные адроны делятся на два царства — барионы и мезоны. Барионы имеют три валентных кварка, а мезоны — кварк и антикварк. Мезоны живут ярко, но скоротечно. Например, нейтральный пион живёт около 10⁻¹⁶ секунды и распадается на два фотона. А вот протон, один из положительных представителей барионного царства, насколько мы знаем, стабилен. По крайней мере, ни в одной поваренной книге про распад протона не написано. Логично ли из этого сделать вывод, что система из трёх кварков стабильнее системы из кварка и антикварка? Посмотрим на другие барионы. Нейтрон живёт почти 15 минут. По меркам мира элементарных частиц он тоже долгожитель. А вот Λ⁰-гиперон живёт всего около 2.6×10⁻¹⁰ секунды. Многие возбуждённые состояния барионов распадаются за характерное время сильного взаимодействия, около 10⁻²³ секунды. И это всё системы с тремя валентными кварками. Значит, стабильность протона определяется не тем, насколько прочно три кварка связаны друг с другом. Чем же? У кварков есть квантовое число, которое называется барионным. Каждому кварку приписывается B = 1/3, антикварку B = −1/3. Поэтому у мезона B = 0, а у обычного бариона B = 1. Если барионное число сохраняется, протон оказывается в особом положении. Он — самый лёгкий барион. Чтобы распасться, он должен оставить после себя что-нибудь с B = 1, то есть другой барион. Но любой другой барион тяжелее протона. Поэтому протон просто не может распасться. Нейтрон тяжелее протона, и для него возможен распад на протон, электрон и электронное антинейтрино. Барионное число при этом никуда не делось: было 1 и осталось 1. Стабильность протона следует из закона сохранения барионного числа. Домохозяйка закрыла книгу и спросила: а почему, чёрт возьми, барионное число вообще сохраняется?

Магнитное зеркало — 5/4. Троянский конь и птичий хор над Землёй Мы уже выяснили, как магнитное поле Земли удерживает заряженные частицы. Они отражаются от областей сильного поля и остаются между двумя магнитными зеркалами. Но что наполняет эту ловушку? И что ускоряет в ней заряженные частицы? Троянский конь Троянского коня природа изобрела задолго до древних греков. С его помощью внутренний радиационный пояс пополняется высокоэнергичными протонами. Вот как это происходит. Космический луч сталкивается с атомным ядром в атмосфере и рождает вторичные частицы — в том числе нейтроны. Часть нейтронов летит из атмосферы вверх. Нейтрон электрически нейтрален. Магнитное поле его не отклоняет, поэтому он может свободно проникнуть в область магнитной ловушки. А затем нейтрон распадается на протон, электрон и электронное антинейтрино. На месте нейтральной частицы появляется заряженный протон. Если его направление и энергия подходят, магнитное поле Земли захватывает его в свою ловушку. Троянский конь прошёл сквозь ворота — и только внутри из него появился тот, кто хотел проникнуть внутрь. Этот механизм называется CRAND — Cosmic Ray Albedo Neutron Decay: распад альбедных нейтронов, рождённых космическими лучами. Расчёты и наблюдения показывают, что CRAND служит главным источником высокоэнергичных протонов внутреннего радиационного пояса. Успевает ли нейтрон добраться до ловушки? Среднее время жизни свободного нейтрона — около 878 секунд, почти 15 минут. Возьмём нейтрон с кинетической энергией всего 1 МэВ. Он движется со скоростью около 0,046 скорости света и пролетает 1000 километров примерно за 0,07 секунды. Так что долететь до высот внутреннего пояса он успевает практически наверняка. Но теперь поставим обратный вопрос: успеет ли он распасться внутри? На пути длиной 6000 километров распадётся лишь примерно один такой нейтрон из двух тысяч. CRAND — редкий, но непрерывный процесс. А внешний пояс наполнен главным образом электронами. И у них совсем другая история. Во внешнем радиационном поясе встречаются электроны с энергиями в миллионы электронвольт. Для электрона это уже релятивистская энергия: при кинетической энергии 1 МэВ он движется со скоростью около 0,94 скорости света. Но электроны, поступающие из внешних областей магнитосферы и переносящиеся ближе к Земле, первоначально могут иметь гораздо меньшие энергии. Что же превращает их в частицы, летящие почти со скоростью света? Магнитное поле? Но оно не совершает работы! Настоящая магнитосфера не стационарна. Солнечный ветер деформирует её, электрические и магнитные поля меняются, а в плазме распространяются электромагнитные волны. Некоторые из них называют хоровыми волнами — chorus waves. Приборы записывают колебания электрического и магнитного полей, а затем сигнал переводят в слышимый диапазон. И получается звук, похожий на птичий хор. Но этот хор не только поёт. При резонансном взаимодействии волны передают энергию электронам и могут за несколько часов разогнать их до миллионов электронвольт. Получается, внутри внешнего радиационного пояса работает естественный ускоритель частиц. Магнитное зеркало удерживает частицы. Но внутренний пояс наполняют прежде всего протоны, рождённые благодаря распаду нейтронов, а внешний — электроны, которые переносятся и ускоряются в меняющейся магнитосфере. Радиационные пояса — не просто облака частиц, застрявших в магнитном зеркале. Там кипит активная жизнь: одни частицы в неё входят, другие рождаются внутри, третьи ускоряются, а четвёртые выпадают в атмосферу. 1 • 2 • 3 • 4

Магнитное зеркало — 4/4. Ловушка размером с планету 31 января 1958 года первый американский спутник Explorer 1 вышел на орбиту. На его борту находился счётчик Гейгера, созданный группой Джеймса Ван Аллена для измерения космических лучей. Сначала всё шло ожидаемо: с высотой скорость счёта росла. Но затем прибор внезапно замолчал. Он не видел ничего. Космические лучи исчезли? Счётчик сломался? Нет, он работал. Физики заподозрили, что он вышел в режим насыщения — частиц было слишком много. Это подвердилось в следующей миссии Explorer 3. Так были открыты радиационные пояса Земли!

Сигнал радиационных поясов зарегистрировал еще раньше советский «Спутник-2», но ... тогда прошли мимо важного открытия. Уже после миссии Explorer 3 открытие подтвердили данные «Спутника-3».

Что такое радиационные пояса? Это две области на высотах от тысячи до десятков тысяч км над поверхностью нашей планеты, заполненные энергичными электронами и протонами. Магнитное поле Земли похоже на поле большого магнита. В районе экватора оно слабее, а ближе к полюсам усиливается. Как раз то, что нужно для магнитного зеркала. Магнитное зеркало Земли играет протонами и электронами в пинг-понг между северным и южным полюсами. В результате, множество частиц заполняет огромную тороидальную магнитную ловушку. Кстати, как вы думаете, откуда берутся там протоны и электроны? Но зеркало отражает не все частицы! Всё зависит от угла α между скоростью частицы и магнитным полем. Если скорость направлена почти вдоль силовой линии, частица может добраться до атмосферы раньше, чем успеет отразиться. И тогда заряженная частица стремительно растеряет всю свою энергию во взаимодействиях с атмосферой и выбывает из тенисного турнира. Вы можете поиграть в интерактивную игру на моем сайте, чтобы разобраться какие энергии и углы позволяют заряженным частицам остаться внутри радиационного пояса, а какие приземляют наших путешественников. Внутренний пояс богат энергичными протонами, а внешний — электронами. Размер и структура поясов зависят от состояния магнитосферы. Замечу, что магнитное зеркало — это лишь часть картины, описывающей радиационные пояса. Оно объясняет, как удерживается отдельная частица, но не отвечает, например, на такие вопросы: — Почему поясов два? — Откуда берутся частицы? — И каким образом некоторые электроны разгоняются почти до скорости света? Может быть, у вас есть идеи? 1 • 2 • 3 • 4

Магнитное зеркало — 3/4. Магнитный закон Снеллиуса Магнитное зеркало оказалось похоже на оптическое даже сильнее, чем можно было ожидать. Для него можно написать почти настоящий закон Снеллиуса. Но слово «почти» здесь очень важно. Когда свет переходит из одной прозрачной среды в другую, направление луча меняется. Угол связан с показателем преломления среды n: n sin α = const Здесь α — угол между лучом и нормалью к поверхности. Если показатель преломления уменьшается, луч отклоняется от нормали. А теперь вернёмся к электрону в магнитном поле. В прошлой части мы выяснили, что при достаточно плавном изменении поля сохраняется отношение поперечной энергии частицы к магнитному полю. Полная энергия при этом тоже остаётся постоянной. Отсюда следует: sin α / √B = const Здесь α — острый угол между скоростью электрона и силовой линией магнитного поля. Теперь введём для магнитного поля условный «показатель преломления»: n(B) = √(B₀/B) И получим: n(B) sin α = const Совсем как в оптике! Чем сильнее магнитное поле, тем меньше n(B) и тем больше угол α. Электрон всё сильнее отклоняется от направления вдоль поля. Если угол достигает 90°, продольная скорость обращается в ноль. Дальше частица пройти не может и начинает двигаться обратно. Возникает магнитное отражение. На видео поле внутри бокса изменяется так (в условных единицах): B/B₀: 1 → 4 → 1 Поэтому магнитный «показатель преломления» меняется наоборот: n(B): 1 → ½ → 1 Электроны, входящие под углами 15° и 25°, проходят через всю область. В середине их угол увеличивается, а на выходе снова становится равным входному. Электрон с углом 45° отражается, не достигнув максимума поля. Так где же заканчивается аналогия с оптикой? Во-первых, n(B) — не свойство вещества. Внутри бокса нет никакого материала. Это лишь удобная запись закона, следующего из сохранения адиабатического инварианта. Во-вторых, всей области нельзя приписать один показатель преломления. Поле меняется непрерывно, поэтому в каждой точке своё локальное значение n(B). И наконец, световой луч в обычной оптике остаётся в плоскости падения. Отражённый луч выходит в той же плоскости и под тем же углом. С электроном всё интереснее. Пока он движется внутри магнитного поля, его скорость вращается вокруг силовой линии. К моменту выхода изменяется не только направление движения вдоль поля, но и гирофаза — ориентация поперечной скорости в пространстве. Поэтому модуль выходного угла может быть равен входному, но сама плоскость движения оказывается повёрнута. Именно поэтому ролик сделан трёхмерным. Прямые участки снаружи продолжают полный вычисленный 3D-вектор скорости электрона. Они выходят не так, как вышли бы обычные оптические лучи. Граница бокса при этом условна: это не стенка и не кусок магнитного вещества. Она лишь отделяет показанную область поля от прямолинейного движения снаружи. Получилось зеркало, для которого работает аналог закона Снеллиуса, сохраняется угол — но не сохраняется плоскость отражения. А теперь представьте два таких зеркала размером с планету. Частица может отражаться между ними снова и снова. Именно так устроены радиационные пояса Земли. Об этом — в следующей части. 1 • 2 • 3 • 4