Специальная теория относительности, которую Альберт Эйнштейн создал в 1905 году, разрушила прежнюю уверенность в том, что пространство и время независимы друг от друга. Согласно Эйнштейну, существует единое четырехмерное пространство-время, которое по-разному проявляет себя в разных системах отсчета. Из эйнштейновской теории также следует, что если одна система отсчета движется относительно другой с постоянной скоростью, то при переходе между ними пространственные и временные координаты должны изменяться в соответствии с определенными формулами, зависящими от скорости света. Все законы природы должны одинаково записываться в разных системах отсчета, связанных между собой такими формулами, которые называются преобразованиями Лоренца. Это положение называется принципом лоренцевской инвариантности. Оно полностью соблюдается и в общей теории относительности, которую Эйнштейн разработал через 10 лет после специальной.
Принцип лоренцевской инвариантности служит одним из краеугольных камней теоретического фундамента современной физики. Он многократно подвергался экспериментальной проверке, которую неизменно выдерживал с блеском. Тем не менее, физики выдвигали и продолжают выдвигать и такие теории микромира, которые не предполагают его выполнения. К их числу относится одна из новых версий стандартной модели элементарных частиц, которая пытается объединить ее с общей теорией относительности с помощью теории квантовых струн. Она называется расширением стандартной модели, по-английски Standard-Model Extension, сокращенно SME. В этой теории принцип лоренцевской инвариантности как раз и не соблюдается, что приводит к нескольким физическим эффектам, допускающим прямое экспериментальное наблюдение.
Одним из них служит поведение нейтрино. Как известно, эти сверхлегкие всепроникающие частицы существуют в природе в трех разновидностях, или, как говорят физики, ароматах. Это электронные нейтрино, лептонные нейтрино и тау-нейтрино. При этом нейтрино разных видов могут переходить друг в друга - этот феномен называется нейтринными осцилляциями. Если создать пучок, состоящий из нейтрино лишь одного вида, то по мере удаления от источника в нем будут появляться и исчезать нейтрино других типов. В последние годы были созданы детекторы, которые позволят регистрировать такие переходы.
Изучение нейтринных осцилляций дает возможность проверить теорию SME. Стандартная модель элементарных частиц, которая базируется на принципе лоренцевской инвариантности утверждает, что вероятность нейтринных осцилляций никак не связана с пространственной ориентацией нейтринного пучка. Однако теория SME предполагает, что Вселенная заполнена универсальным квантовым полем, которое имеет определенное направление и тем самым нарушает лоренцевскую инвариантность. Поскольку нейтрино взаимодействуют с этим полем, вероятность их осцилляций зависит от того, куда именно они движутся. Если источник и детекторы нейтрино находятся на Земле, нейтринный луч вращается в пространстве вместе с нашей планетой. В таком случае вероятности нейтринных осцилляций будут меняться в соответствии с формулой, учитывающей продолжительность земных суток.
Это предсказание только что проверили физики из США, Великобритании, Греции, Бразилии, Франции и Польши, во главе которых стоит профессор астрономии Индианского университета Стюарт Мафсон. Он рассказал Русской службе «Голоса Америки» следующее:
«Мы воспользовались аппаратурой, созданной для эксперимента MINOS, который сейчас проводится в Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми для изучения нейтринных осцилляций. В Фермилабе имеется мощный источник нейтрино. Эти частицы появляются при распаде пи-мезонов, которые возникают при бомбардировке углеродной мишени протонами, разогнанными в ускорителе до 120 миллиардов электронвольт. Рожденный таким образом нейтринный поток почти на 99% процентов состоит только из мюонных нейтрино и их античастиц, мюонных антинейтрино.
Нейтрино распространяются от источника во все стороны практически со скоростью света. Однако, - продолжал профессор Мафсон, - в ходе эксперимента регистрируются только те частицы, которые по пути от источника проходят через два подземных детектора, расположенных на большой дистанции друг от друга. Один из них находится всего на расстоянии 750 метров от нейтринного источника на глубине 103 метра. Второй детектор смонтирован в старом железном руднике на севере штата Миннесота в 735 километрах от Фермилаба. Таким образом, из нейтринного излучения вырезается узкий луч, который вращается вместе с нашей планетой».
Как отметил профессор Мафсон, экспериментаторы зарегистрировали в ближнем детекторе следы нескольких миллионов нейтрино, а в дальнем – примерно тысячи. Однако они так и не обнаружили никаких свидетельств того, что вероятности переходов мюонных нейтрино в нейтрино других ароматов зависят от продолжительность земных суток. Таким образом, это ключевое предсказание теории SME так и осталось неподтвержденным. А отсюда следует, что принцип лоренцевской инвариантности вновь не удалось опровергнуть. Впрочем, по словам Мафсона, его группа и дальше будет продолжать свои эксперименты, добиваясь более высокой точности. Ничего не поделаешь, так уж принято в физике.
Фотография: http://www.astro.indiana.edu/mufson.shtml
Иллюстрации: http://www-numi.fnal.gov/
Алексей Левин