Нейтрино можуть відкрити таємницю антиматерії

Нейтрино могут открыть тайну антиматерии

Одна з найбільших загадок у фізиці: чому Всесвіт заповнена матерією, а не антиматерией. Японський експеримент тепер запропонував можливе пояснення: субатомні частинки, які називаються нейтрино, можуть вести себе по-різному в своїх матеріальних і антиматериальных формах. Про це невідповідність заговорили на Міжнародній конференції з фізики високих енергій (ICHEP), яка пройшла минулого тижня в Чикаго, Іллінойс, і воно може виявитися далеким від істини: щоб заявити про неї привселюдно, потрібно добути ще даних. «Я б міг посперечатися, що у нейтрино дійсно буде це невідповідність, але було б передчасно стверджувати, що ми зможемо це побачити», — говорить Андре де Гувеа, фізик-теоретик з Північно-Західного університету в Еванстоні, штат Іллінойс.

Тим не менше це заява, ймовірно, призведе до хвилювання на тему дослідження нейтрино, численних, але непомітних частинок, які все частіше здаються рішенням різноманітних головоломок у фізиці.

У 1990-х роках було виявлено, що нейтрино кидають виклик передбачення Стандартної моделі фізики — успішного, але неповного опису природи — в силу володіння масою, не будучи повністю безмассовыми. З тих пір експерименти з нейтрино розповзлися по всьому світу, і вчені розуміють, що повинні вивчати ці частинки заради пошуку нових пояснень у фізиці, говорить Кит Майстрів, фізик американського нейтринного експерименту NOvA в Батавії, штат Іллінойс. «Вони ламають Стандартну модель», говорить він.

Дивний надлишок

Переважання матерії над антиматерией у Всесвіті незвично, оскільки якщо ці дзеркально відбиті частки були зроблені в рівних кількостях після Великого Вибуху, вони б знищили один одного при контакті, і не залишилося б нічого, крім радіації. Фізики спостерігали відмінності в поведінці деяких частинок матерії і антиматерії, начебто каонов і B-мезонів — але цього недостатньо, щоб пояснити переважання речовини у Всесвіті.

Один з відповідей може бути в тому, що надважкі частинки розпалися в ранній Всесвіту асиметрично і виробили більше матерії, ніж антиматерії. Деякі фізики вважають, що важкі родичі нейтрино можуть бути в цьому винні. За цією теорією, якщо нейтрино і антинейтрино ведуть себе по-різному, то подібний дисбаланс у їх давніх колег міг би пояснити надлишок матерії.

Щоб перевірити це, дослідники експерименту T2K (Tokai to Kamioka) в Японії вирішили знайти відмінності в тому, як матеріальні та антиматериальные нейтрино осциллируют між трьома типами, або «ароматами», по мірі руху. Вони запустили пучки нейтрино одного аромату — мюонні нейтрино — з японського прискорювача протонів в прибережній селі Токаимура на детектор Супер-Камиоканды, підземний сталевий резервуар 295 кілометрів від першого прискорювача, наповнений 50 000 тоннами води. Вчені підрахували, скільки з’явилося електронних нейтрино, які говорять про те, скільки мюонним нейтрино повинні були осциллировать в інший аромат по дорозі. Потім повторили експеримент з пучком мюонним антинейтрино.

Два пучка показали різну поведінку, повідомив Коносуке Івамото, фізик Університету Рочестера в Нью-Йорку, на презентації ICHEP.

Дивні осциляції

Вчені очікували, що якщо різниці між матерією і антиматерией не було, їх детектор повинен був побачити 24 електронних нейтрино і 7 електронних антинейтрино після 6 років експериментів. Антиматерію складніше зробити і виявити.

Замість цього вони отримали 32 нейтрино і 4 антинейтрино. «Не вдаючись у складну математику, це говорить про те, що матерія і антиматерія осциллирует не однаково», говорить Чан Ки Юнг, фізик Університету Стоні-Брук в Нью-Йорку і член експерименту T2K.

Нейтрино могут открыть тайну антиматерии

Попередні результати експериментів T2K і NOvA вказують на ту ж ідею. Але спостереження досі можуть бути результатом випадкової флуктуації; є шанс 1 до 20 (або 2 сигма, якщо говорити мовою статистики) побачити ці результати, якщо нейтрино і антинейтрино ведуть себе однаково, зазначає Юнг.

Знадобиться більше даних, щоб підтвердити сигнал. До кінця свого поточного запуску у 2021 році, експеримент T2K отримає в п’ять разів більше даних, ніж є сьогодні. Але команді потрібно в 13 разів більше даних, щоб довести статистичну достовірність до 3 сигма, щоб більшість фізиків початок сприймати ці дані як розумне — але не цілком переконливе свідчення асиметрії.

Два краще, ніж один

Команда T2K запропонувала продовжити свій експеримент до 2025 року, щоб зібрати всі необхідні дані. Але якщо об’єднати збір даних з NOvA, який посилає пучок нейтрино 810 кілометрів з Лабораторії Фермі в шахту на півночі Міннесоти, можна прискорити процес. NOvA посилав пучки нейтрино і перейде на пучки антинейтрино в 2017 році. Дві групи домовилися проводити спільний аналіз і планують вийти на достовірність в 3 сигма до 2020 року, говорить Юнг.

Щоб набрати статистичну достовірність, необхідну для офіційного оголошення відкриття — 5 сигма, — знадобиться нове покоління нейтринних експериментів, які вже плануються по всьому світу.

Дослідники експерименту NOvA представив ще одну цікаву, але передчасну знахідку на ICHEP, також виведену з вивчення швидкості, з якою мюонні нейтрино переходять в електронні нейтрино: натяк на те, яка з трьох різних мас нейтрино найбільша. Відповідь на це питання повинен допомогти вченим вибрати одну з конкуруючих теорій щодо того, як чотири природних взаємодії об’єднуються в єдине при високих енергіях, як під час Великого Вибуху.

Фізики роблять відкриття на тему нейтрино майже щороку, говорить де Гувеа. Це дуже швидко за мірками фізики елементарних частинок.

Нейтрино можуть відкрити таємницю антиматерії
Ілля Хель