Галій — це цікавий матеріал. Він залишається твердим, доки ви не візьмете його в руки, бо через відносно низьку температуру плавлення він одразу стане рідким. Для фізиків один із двох стабільних ізотопів галію має ще одне застосування: його можна використовувати для вивчення сонячних нейтрино. І саме з цієї причини фізики натрапили на загадку, яка може потрясти весь сучасний світ фізики.
Проблема не в галії. Стандартна модель фізики частинок, можливо, є однією з найвидатніших теорій, створених людством, але вона обмежена. Ми це усвідомлюємо, але не впевнені, де саме ці межі і що знаходиться за ними. І саме тут з’являється цей часом рідкий метал.
Зустрічайте три «смаки» нейтрино
Якщо атом галію-71 взаємодіє з електронними нейтрино, він розпадається на германій-71 та електрон. На відміну від галію, германій-71 нестабільний і розпадається з періодом напіврозпаду 11,4 дня знову на галій — процес, який є зручним і вимірюваним.
Нейтрино — це дивні маленькі частинки. Існує три відомих типи: електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино. Вони відомі як «смаки». Вони не мають електричного заряду і мають таку малу масу, що довгий час вважалося, що вони мають нульову масу. Вони можуть пролітати міжгалактичні відстані, не піддаючись впливу. Щосекунди через ваше тіло проходить 100 трильйонів нейтрино, але ви цього не відчуваєте. Взаємодія з нейтрино є рідкісною.
Вони утворюються під час численних фізичних подій, включно з реакціями термоядерного синтезу в центрі Сонця. Але під час подорожі з ними щось відбувається. Вони змінюють свої «смаки». Вони можуть змінюватися з електронного нейтрино на мюонне нейтрино, на тау-нейтрино або навпаки. Співвідношення цієї осциляції добре передбачено спостереженнями та теорією.
І тут стає складно. Тому що експерименти з галієм не виробляють достатньо германію.
Експерименти кажуть, що в теорії щось бракує
Знання про те, що щось не так, походить із результатів радянсько-американського галієвого експерименту, який було розпочато в 1989 році та тривав десятиліттями. Лише через два роки було розпочато ще один експеримент під назвою GALLEX в Італії. Обидва вказали на дефіцит кількості отриманого германію. Це і є галієва аномалія.
Щоб неправильно процитувати Шекспіра, проблема не в нашій зірці, а в нашому виборі елемента. Наступне дослідження під назвою BEST — експеримент Баксан з пошуку стерильних нейтрино — піддавало галій впливу нейтрино з використанням радіоактивного хрому (який є інтенсивним джерелом нейтрино). Ідея полягала в тому, щоб перевірити, чи, можливо, проблема полягає в сонячних очікуваннях. І знову кількість германію-71 була нижчою, ніж очікувалося, на 20-24 відсотки.
Ще однією можливою причиною було те, що, можливо, взаємодія між нейтрино і галієм була не повністю зрозуміла. Це було уточнено у 2023 році, але аномалію не вирішили. Ще одна альтернатива — можливо, період напіврозпаду германію-71 (11,4 дні) був неправильним. Але це також було уточнено і залишилося в згоді з попередніми експериментами. Аномалія збереглася.
На сцену виходить стерильне нейтрино
Ми не натякаємо на те, що в ресторані під назвою Стандартна модель є секретне меню частинок. Наскільки нам відомо, «смаків» є три. Але ми згадали про обмеження. Ми підозрюємо, що існують інші частинки, і версія нейтрино, яка взаємодіє лише через гравітацію, може бути однією з них. Існування стерильного нейтрино з масою приблизно в одну п’ятисоту маси електрона було відхилено іншими експериментами. Але результати BEST насправді вказують на більшу масу для стерильного нейтрино.
Це не означає, що стерильне нейтрино є правильною відповіддю. Можливо, існують інші фактори в експериментах, які вчені неправильно зрозуміли. Або ж може бути зовсім інше пояснення, яке все одно потребує фізики за межами Стандартної моделі. Ми ще не знаємо, але це дійсно захопливо, що такий цікавий метал може містити ключ до нового розуміння всесвіту.