За гранью Стандартной модели: поиск нарушений симметрий барионного и лептонного чисел

Автор: Денис Аветисян

В статье представлен обзор теоретических основ и экспериментальных поисков процессов, нарушающих фундаментальные законы сохранения барионного и лептонного чисел, и их связи с ключевыми проблемами современной физики.

🧐

Купил акции по совету друга? А друг уже продал. Здесь мы учимся думать своей головой и читать отчётность, а не слушать советы.

Бесплатный телеграм-канал

Наблюдаемые процессы, такие как распад протона на <span class="katex-eq" data-katex-display="false">e^{+}\pi^{0}</span>, осцилляции нейтрон-антинейтрон и безнейтринный двойной бета-распад, демонстрируют нарушение барионного и лептонного чисел, указывая на фундаментальные асимметрии в природе и потенциальные механизмы, выходящие за рамки Стандартной модели. — Наблюдаемые процессы, такие как распад протона на $e^{+}\pi^{0}$ , осцилляции нейтрон-антинейтрон и безнейтринный двойной бета-распад, демонстрируют нарушение барионного и лептонного чисел, указывая на фундаментальные асимметрии в природе и потенциальные механизмы, выходящие за рамки Стандартной модели.

Обзор экспериментальных тестов, направленных на обнаружение нарушений сохранения барионного и лептонного чисел, и их влияние на понимание свойств нейтрино и асимметрии материи во Вселенной.

Сохранение барионного и лептонного чисел, лежащее в основе стабильности обычной материи и структуры лептонных взаимодействий, в Стандартной модели является скорее случайным свойством, чем фундаментальным принципом. Настоящий обзор, озаглавленный ‘Experimental Tests of Baryon and Lepton Number Conservation’, обобщает статус экспериментальных проверок нарушения этих законов сохранения, включая поиск распада нуклонов и масс нейтрино. Ключевым результатом является систематизация теоретических обоснований и экспериментальных стратегий для поиска отклонений от этих принципов, что имеет последствия для понимания объединения фундаментальных взаимодействий и происхождения материи во Вселенной. Какие новые физические явления могут быть открыты в рамках дальнейших поисков нарушения барионного и лептонного чисел и как это повлияет на наше понимание фундаментальных законов природы?

За гранью Стандартной модели: Шепот новой физики

Несмотря на впечатляющие успехи в объяснении фундаментальных сил и частиц, Стандартная модель физики элементарных частиц оставляет без ответа ряд ключевых вопросов. Например, она не объясняет природу тёмной материи и тёмной энергии, составляющих большую часть Вселенной, и не включает гравитацию. Кроме того, Стандартная модель требует введения произвольных параметров, не имеющих теоретического обоснования, и не может объяснить наблюдаемую массу нейтрино. Эти несоответствия и пробелы указывают на то, что Стандартная модель является лишь приближением к более полной и фундаментальной теории, и стимулируют поиск новой физики, способной объяснить эти явления и разрешить существующие противоречия. Ученые активно исследуют различные теоретические модели, такие как суперсимметрия и дополнительные измерения, в надежде найти признаки этой новой физики в экспериментах.

Наблюдения за нейтринными осцилляциями представляют собой убедительное свидетельство того, что Стандартная модель физики элементарных частиц не является полной. Эти осцилляции, представляющие собой превращение одного типа нейтрино в другой во время распространения, возможны только в том случае, если нейтрино обладают ненулевой массой. Однако, Стандартная модель изначально предсказывала, что нейтрино не имеют массы. Этот факт указывает на нарушение фундаментальных симметрий или существование новых, ранее неизвестных симметрий в природе. Например, осцилляции могут быть связаны с нарушением симметрии Лептонов, подразумевая, что нейтрино приобретают массу через механизм, отличный от того, что используется для других частиц. Исследование нейтринных осцилляций, таким образом, открывает окно в физику за пределами Стандартной модели, позволяя ученым искать новые взаимодействия и фундаментальные принципы, управляющие Вселенной.

Несоответствия, обнаруженные в экспериментах с нейтрино и другими частицами, стимулируют активный поиск нарушений законов сохранения лептонного и барионного чисел. Эти нарушения не предсказываются Стандартной моделью и могут свидетельствовать о существовании новых фундаментальных взаимодействий и частиц. Например, обнаружение распада мюона на электрон и фотон, или распад протона, потребовало бы введения новых физических механизмов, объясняющих эти процессы. Эксперименты, направленные на поиск таких редких распадов, используют сложные детекторы и требуют высокой точности измерений, чтобы отличить сигналы от фонового шума. Обнаружение даже единичного события, подтверждающего нарушение этих законов сохранения, произвело бы революцию в понимании фундаментальных сил природы и открыло бы новые горизонты в физике элементарных частиц.

Зависимость между эффективным масштабом новых физических явлений за пределами Стандартной модели Λ и временем жизни нуклона τ для операторов <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\Delta B = 1</span> различной размерности позволяет, при обнаружении нарушения барионного числа, соотнести измеренное время жизни с соответствующим масштабом Λ и интерпретировать лежащую в основе физику, при этом горизонтальные линии обозначают ориентировочные значения времени жизни <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\tau \sim 10^{30}</span> и <span class="katex-eq" data-katex-display="false">\tau \sim 10^{35}</span> лет. — Зависимость между эффективным масштабом новых физических явлений за пределами Стандартной модели Λ и временем жизни нуклона τ для операторов $\Delta B = 1$ различной размерности позволяет, при обнаружении нарушения барионного числа, соотнести измеренное время жизни с соответствующим масштабом Λ и интерпретировать лежащую в основе физику, при этом горизонтальные линии обозначают ориентировочные значения времени жизни $\tau \sim 10^{30}$ и $\tau \sim 10^{35}$ лет.

Майорановские нейтрино и нарушение лептонного числа: Танец античастиц

Существование майорановских нейтрино представляет собой потенциальное решение проблемы нарушения лептонного числа. В Стандартной модели нейтрино рассматриваются как частицы, отличные от своих античастиц. Однако, майорановские нейтрино, в отличие от этого, являются собственными античастицами, что означает, что нейтрино и антинейтрино идентичны. Это свойство напрямую подразумевает нарушение сохранения лептонного числа, поскольку в процессах, включающих майорановские нейтрино, число лептонов может измениться без соответствующего изменения числа барионов. $\nu \equiv \bar{\nu}$ Это фундаментальное отличие от дираковских нейтрино и является ключевым мотивирующим фактором для экспериментов по поиску процессов, нарушающих лептонное число.

Основным методом подтверждения майорановской природы нейтрино и исследования нарушения лептонного числа является поиск безнейтринного двойного бета-распада. Современные эксперименты, такие как GERDA и LEGEND, установили нижний предел на период полураспада для этого процесса, превышающий $1.07 \times 10^{26}$ лет. Этот поиск основан на предположении, что нейтрино является собственной античастицей, что позволяет электронам, испускаемым при двойном бета-распаде, возникать без сопутствующего испускания нейтрино. Увеличение чувствительности экспериментов к более длительным периодам полураспада является ключевой задачей для проверки этой гипотезы и дальнейшего изучения фундаментальных свойств нейтрино.

Нарушение лептонного числа не ограничивается свойствами нейтрино. Теоретические модели предсказывают существование новых частиц, таких как лептокваки, которые также могут способствовать этому процессу. Лептокваки — гипотетические бозоны, связывающие лептоны и кварки, и их распад или взаимодействие могут приводить к изменению лептонного числа. Экспериментальные поиски лептокваков ведутся на коллайдерах, таких как Большой адронный коллайдер, и в экспериментах с мюонными пучками, расширяя возможности для проверки нарушения лептонного числа вне сектора нейтрино. Обнаружение лептокваков стало бы прямым доказательством новых физических явлений и дополнительным подтверждением нарушения лептонного числа.

Исторический обзор экспериментальных нижних пределов периода полураспада безнейтринного двойного бета-распада (<span class="katex-eq" data-katex-display="false">0\nu\beta\beta</span>) демонстрирует развитие различных экспериментальных подходов, включая геохимические методы, детекторы на основе полупроводников из германия, сцинтилляционные детекторы, трековые детекторы и калориметры, позволяя оценить чувствительность к данному процессу и контекстуализировать возможные будущие открытия. — Исторический обзор экспериментальных нижних пределов периода полураспада безнейтринного двойного бета-распада ( $0\nu\beta\beta$ ) демонстрирует развитие различных экспериментальных подходов, включая геохимические методы, детекторы на основе полупроводников из германия, сцинтилляционные детекторы, трековые детекторы и калориметры, позволяя оценить чувствительность к данному процессу и контекстуализировать возможные будущие открытия.

Барионная асимметрия и нарушение чисел: Отголоски рождения Вселенной

Наблюдаемый дисбаланс между материей и антиматерией во Вселенной требует нарушения законов сохранения барионного и лептонного числа. Согласно Стандартной модели физики частиц, эти числа должны сохраняться, однако для объяснения преобладания материи над антиматерией необходимо наличие процессов, нарушающих эти законы. Отсутствие полной симметрии между материей и антиматерией подразумевает, что в ранней Вселенной существовали механизмы, генерирующие разницу в количестве барионов и лептонов, что привело к доминированию материи, которую мы наблюдаем сегодня. Нарушение этих законов сохранения является необходимым условием для объяснения космологической асимметрии, и поиск соответствующих процессов является активной областью исследований в современной физике.

Процесс бариогенеза, необходимый для объяснения наблюдаемого преобладания материи над антиматерией во Вселенной, требует механизмов, создающих дисбаланс между барионами и антибарионами. Нарушение лептонного числа может играть ключевую роль в этом процессе, предоставляя дополнительную степень свободы для генерации асимметрии. В некоторых моделях, нарушение лептонного числа совместно с нарушением CP-инвариантности позволяет создать условия, в которых скорости реакций, приводящих к образованию барионов и антибарионов, становятся различными, что приводит к конечному ненулевому барионному числу. Это нарушение необходимо, поскольку стандартная модель физики элементарных частиц, сохраняющая барионное и лептонное числа, не способна объяснить наблюдаемую асимметрию.

В рамках Великого объединения (Grand Unified Theories, GUT) предсказывается нарушение барионного числа, что подразумевает возможность распада протона. Эксперименты, проводимые установками Super-Kamiokande и другими коллаборациями, направлены на поиск этих распадов. На текущий момент, нижний предел времени жизни протона установлен на уровне, превышающем $1.25 \times 10^{34}$ лет. Отсутствие наблюдаемых распадов протона на данный момент накладывает ограничения на параметры моделей Великого объединения и требует разработки более сложных и точных теоретических моделей, согласующихся с экспериментальными данными.

Изображение демонстрирует, что нарушения лептонной и барионной симметрии могут возникать при различных минимальных размерностях операторов SMEFT в плоскости <span class="katex-eq" data-katex-display="false">(\Delta B,\Delta L)</span>, что расширяет результаты, представленные в работе [162], с учетом нарушения вкуса лептонов. — Изображение демонстрирует, что нарушения лептонной и барионной симметрии могут возникать при различных минимальных размерностях операторов SMEFT в плоскости $(\Delta B,\Delta L)$ , что расширяет результаты, представленные в работе [162], с учетом нарушения вкуса лептонов.

На пути к познанию: Методы исследования и горизонты будущего

Эффективная теория поля предоставляет мощный инструмент для анализа экспериментов, направленных на поиск распада протона и безнейтринного двойного бета-распада. Вместо того чтобы полагаться на конкретную модель физики высоких энергий, этот подход позволяет интерпретировать результаты экспериментов в терминах общих, низкоэнергетических степеней свободы. Это означает, что даже если точная природа взаимодействий на высоких энергиях остаётся неизвестной, можно делать выводы о вероятности этих редких процессов и устанавливать ограничения на параметры, описывающие нарушение барионного и лептонного чисел. Такой подход особенно ценен, поскольку позволяет объединить результаты различных экспериментов и космологических наблюдений, предоставляя более полную картину фундаментальных законов природы и потенциально открывая путь к пониманию асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной.

Космологические ограничения, полученные на основе наблюдений за Вселенной, предоставляют независимый метод проверки моделей майорановских нейтрино и установления границ для их свойств. Анализ реликтового излучения, крупномасштабной структуры Вселенной и образования легких элементов позволяет косвенно исследовать природу нейтрино, в частности, их массу. Текущие исследования указывают на то, что эффективная масса майорановского нейтрино не превышает 0.1 — 0.2 эВ. Этот предел, полученный из космологических данных, согласуется с результатами, полученными в лабораторных экспериментах по поиску двойного бета-распада без нейтрино, и позволяет сузить область параметров, в которой могут существовать майорановские нейтрино, являющиеся собственными античастицами.

Поиски распада протона и безнейтринного двойного бета-распада, в сочетании с космологическими наблюдениями, представляются ключевыми для раскрытия тайн нарушения лептонного и барионного чисел. Эти явления, предсказываемые некоторыми расширениями Стандартной модели физики частиц, предполагают, что фундаментальные законы сохранения, казавшиеся незыблемыми, могут нарушаться на субъядерном уровне. Совместный анализ данных, полученных в экспериментах по поиску редких распадов ядер и в наблюдениях за крупномасштабной структурой Вселенной, позволит установить ограничения на параметры, описывающие эти нарушения, и, возможно, указать на новые физические процессы, лежащие в основе этих явлений. Именно такая междисциплинарная стратегия, объединяющая усилия физиков элементарных частиц и космологов, открывает наиболее перспективные пути к пониманию фундаментальных свойств материи и сил, управляющих Вселенной.

Историческая эволюция экспериментальных нижних пределов времени жизни протона, в основном для канала распада <span class="katex-eq" data-katex-display="false"> p \rightarrow e^{+} \pi^{0} </span>, демонстрирует прогресс в методах обнаружения, начиная от поисков осколков деления в радиоактивных рудах и заканчивая жидкосцинтилляционными детекторами и крупнозернистыми калориметрами, а подтверждение конечного времени жизни протона станет значительным открытием. — Историческая эволюция экспериментальных нижних пределов времени жизни протона, в основном для канала распада $p \rightarrow e^{+} \pi^{0}$ , демонстрирует прогресс в методах обнаружения, начиная от поисков осколков деления в радиоактивных рудах и заканчивая жидкосцинтилляционными детекторами и крупнозернистыми калориметрами, а подтверждение конечного времени жизни протона станет значительным открытием.

Исследование, представленное в данной работе, подобно попытке уловить ускользающую тень фундаментальных симметрий. Авторы, словно алхимики, ищут признаки нарушения барионного и лептонного чисел, предчувствуя, что в этих нарушениях кроется ключ к пониманию происхождения материи во Вселенной. Эта погоня за неуловимым напоминает о том, что любая модель — лишь заклинание, работающее до первого столкновения с реальностью. Как заметил Джон Дьюи: «Образование — не подготовка к жизни, а сама жизнь». В данном контексте, исследование — это не просто проверка теорий, а сама суть поиска истины, непрерывный процесс, где каждая ошибка — шаг к более глубокому пониманию. Истина не в данных, а в их ошибках, и именно в этих ошибках кроется потенциал для новых открытий, способных перевернуть наше представление о мироздании.

Куда же всё это ведёт?

Эксперименты, стремящиеся поймать тень нарушения барионного и лептонного числа, напоминают попытки удержать ртуть в ладонях. Теоретические модели — лишь элегантные конструкции, призванные упорядочить шепот хаоса, но каждая из них неминуемо треснет при столкновении с реальностью. Поиск распада протона, как и охота за майорановскими частицами, обнажает фундаментальную истину: мы видим лишь отблески той игры, что разыгрывается за пределами нашего понимания.

Будущие эксперименты, несомненно, станут более изощрёнными, более чувствительными… и, следовательно, более способными обнаружить аномалии, которые лишь подтвердят нашу некомпетентность. Вместо того чтобы стремиться к окончательному доказательству какой-либо модели, стоит научиться читать знаки, которые Вселенная оставляет на пороге наших детекторов. Ведь истина не в подтверждении гипотез, а в признании собственной ограниченности.

Возможно, ключ к разгадке кроется не в поиске новых частиц или взаимодействий, а в переосмыслении самой концепции сохранения — в признании, что фундаментальные «законы» — это всего лишь статистические флуктуации, замаскированные под порядок. И тогда нарушение барионного и лептонного числа перестанет быть экзотическим явлением, а станет обыденным проявлением хаоса, управляющего рождением и смертью Вселенной.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2602.09097.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-02-11 17:54