Нейтрино может пролить свет на то, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества

Нейтрино может пролить свет на то, почему во Вселенной гораздо больше материи, чем антивещества

Внутри Super-Kamiokande детектора нейтрино во время работы. Обсерватория Камиока, ICRR, Univ. Токио

Важное открытие в физике элементарных частиц напоминает нам о важности надежных предварительных результатов и открывает путь для более захватывающих открытий.

Физики с ядерным оружием Клайд Коуэн и Фредерик Рейнс считали нейтрино «самым маленьким кусочком материальной реальности, когда-либо воображаемым человеком».

Это было в комментарии в журнале Nature в 1956 году, опубликованном через несколько месяцев после публикации в Science статьи, сообщающей об экспериментальном открытии нейтрино. Эти субатомные частицы не имеют электрического заряда, и их чрезвычайно трудно обнаружить, потому что они очень мало взаимодействуют с другими формами материи. Ученые задавались вопросом о связи между нейтрино и их двойниками — антинейтрино. Оглядываясь назад, это оказалось довольно важным вопросом.

В публикации Nature исследователи, непосредственно следующие по стопам Коуэна и Рейнса, предполагают, что различия между нейтрино и антинейтрино могут помочь объяснить одну из самых больших загадок Вселенной.

Примерно 13,8 миллиарда лет назад, со времени Большого Взрыва, каждая частица материи в ранней Вселенной должна была быть создана вместе с аналогом, называемым антиматерией. Антиматерия подобна материи, но обладает некоторыми противоположными физическими свойствами, такими как электрический заряд. По крайней мере, это то, что предлагают современные теории.

Великая загадка для физиков заключается в том, почему в нынешней Вселенной гораздо больше материи, чем антиматерии. Это, однако, тоже хорошо — если бы их было равное количество, каждая частица уничтожила бы друг друга в взрыве энергии, оставив во Вселенной только фотоны и темную материю.

 

А. Д. Сахаров

Спустя десять лет после того, как Коуэн и Рейнс открыли нейтрино, российский физик и правозащитник Андрей Сахаров предложил механизм нарушения баланса или симметрии между материей и антиматерией. Одна из причин, выдвинутых Сахаровым, заключалась в том, что их симметрия не была идеальной, и каждый из них проявлял несколько иные свойства. Это различие может привести к избытку вещества во время охлаждения, которое произошло вскоре после Большого Взрыва.

Но был ли прав Сахаров? Эксперимент по физике элементарных частиц под названием Токай-Камиока, или Т2К, проведенный международным сообществом из сотен физиков, теперь дает нам намек на то, что это могло бы быть.

В эксперименте T2K нейтрино генерируются в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC) в Токай, на восточном побережье Японии. Оттуда они стреляют под землю и проходят 295 километров в направлении нейтринной обсерватории под названием Супер-Камиоканде на западном побережье. Центральным элементом обсерватории является гигантский резервуар с водой, на котором расположены тысячи детекторов, готовых захватывать свет, излучаемый при взаимодействии нейтрино с водой.

Поскольку нейтрино имеют крайне малую вероятность взаимодействия, такого рода эксперименты занимают годы, чтобы собрать достаточно данных для ученых, чтобы сделать значимые выводы. Т2К потребовалось десятилетие, чтобы обнаружить только 90 нейтрино и 15 антинейтрино — из примерно 1020 потенциальных нейтриногенераторов на J-PARC.

Используя эти данные, коллаборация T2K измерила вероятность того, что нейтрино будет колебаться между различными физическими свойствами, которые физики называют «ароматизаторами» во время своего путешествия. Затем команда провела тот же эксперимент с антинейтрино и сравнила числа. Если вещество и антивещество абсолютно симметричны, вероятности должны быть одинаковыми.

Результаты, однако, показывают, что это не так. T2K обнаружил более высокую вероятность того, что нейтрино изменят вкус во время их 300-километрового путешествия — и соответственно более низкую вероятность для антинейтрино — чем можно было бы ожидать, если бы они вели себя одинаково.

Доверяй, но проверяй

Такое открытие, если оно может быть подтверждено, придает большое значение объяснениям Сахарова от 1967 года о том, что вещество и антивещество имеют разные свойства. Но есть предостережение: текущая находка не удовлетворяет требуемому уровню достоверности — известному как 5-сигма (5σ) — что физики элементарных частиц обычно требуют считать результат открытием. Текущие результаты T2K имеют уровень статистической значимости 3σ — и он падает до 2σ, если полностью исключить симметрию вещества и антивещества.

Внутри прототипа гигантского нейтринного эксперимента DUNE в ЦЕРНе

Тем не менее, важно публиковать такие фундаментальные работы по мере их развития. Эксперименты по физике элементарных частиц могут планироваться и создаваться десятилетиями, поэтому результаты, которые еще не имеют значения 5σ, играют решающую роль в информировании сообщества о решениях в отношении будущих инвестиций.

Исследователи могли бы подождать дольше. Но даже если бы они имели, эксперимент T2K вряд ли предоставил бы дополнительные данные, необходимые для пересечения финишной линии 5σ. Чтобы добраться до 5σ, физикам понадобятся результаты следующего поколения нейтринных детекторов. К счастью, три таких детектора должны быть запущены в эксплуатацию: Hyper-Kamiokande, расположенный недалеко от Super-Kamiokande, запуск которого ожидается в 2027 году, DUNE в Соединенных Штатах, которая должна начаться в 2025 году и JUNO в Китае, который стремится стать первым из трех, кто начнет работать в 2022 году.

Время покажет, если эти предварительные наблюдения верны. Но в то время, когда большие инвестиции в физику высоких энергий подвергаются повышенному вниманию, этот результат усиливает важность продолжения поиска ответов на некоторые из самых глубоких загадок Вселенной.

Источники

1.Reines, F. & Cowan C. L. Jr Nature 178, 446–449 (1956).

2.Cowan, C. L. Jr, Reines, F., Harrison, F. B., Kruse, H. W. & McGuire, A. D. Science 124, 103–104 (1956).

Читайте также: