Узнать больше об антиматерии помогут нейтрино

Одна из самых больших загадок в физике: почему Вселенная наполнена материей, а не антиматерией. Японский эксперимент теперь предложил возможное объяснение: субатомные частицы, которые называются нейтрино, могут вести себя по-разному в своих материальных и антиматериальных формах. Об этом несоответствии заговорили на Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP), которая прошла на прошлой неделе в Чикаго, Иллинойс, и оно может оказаться далеким от истины: чтобы заявить о нем во всеуслышание, нужно добыть еще данных. «Я бы мог поспорить, что у нейтрино действительно будет это несоответствие, но было бы преждевременно утверждать, что мы сможем это увидеть», говорит Андре де Гувеа, физик-теоретик из Северо-Западного университета в Эванстоне, штат Иллинойс.

Тем не менее это заявление, вероятно, приведет к волнению на тему исследования нейтрино, многочисленных, но неуловимых частиц, которые все чаще кажутся решением всевозможных головоломок в физике.

В 1990-х годах было обнаружено, что нейтрино бросают вызов предсказания Стандартной модели физики — успешного, но неполного описания природы — в силу обладания массой, не являясь полностью безмассовыми. С тех пор эксперименты с нейтрино расползлись по всему миру, и ученые понимают, что должны изучать эти частицы ради поиска новых объяснений в физике, говорит Кит Матера, физик американского нейтринного эксперимента NOvA в Батавии, штат Иллинойс. «Они ломают Стандартную модель», говорит он.

Странный избыток

Преобладание материи над антиматерией во Вселенной необычно, поскольку если эти зеркально отраженные частицы были произведены в равных количествах после Большого Взрыва, они бы уничтожили друг друга при контакте, и не осталось бы ничего, кроме радиации. Физики наблюдали различия в поведении некоторых частиц материи и антиматерии, вроде каонов и B-мезонов — но этого недостаточно, чтобы объяснить преобладание вещества во Вселенной.

Один из ответов может быть в том, что сверхтяжелые частицы распались в ранней Вселенной асимметрично и произвели больше материи, чем антиматерии. Некоторые физики считают, что тяжелые родственники нейтрино могут быть в этом виновны. По этой теории, если нейтрино и антинейтрино ведут себя сегодня по-разному, то подобный дисбаланс у их древних коллег мог бы объяснить переизбыток материи.

Чтобы проверить это, исследователи эксперимента T2K (Tokai to Kamioka) в Японии решили найти различия в том, как материальные и антиматериальные нейтрино осциллируют между тремя типами, или «ароматами», по мере движения. Они запустили пучки нейтрино одного аромата — мюонные нейтрино — с японского ускорителя протонов в прибрежной деревне Токаимура на детектор Супер-Камиоканды, подземный стальной резервуар в 295 километрах от первого ускорителя, наполненный 50 000 тоннами воды. Ученые подсчитали, сколько появилось электронных нейтрино, которые говорят о том, сколько мюонных нейтрино должны были осциллировать в другой аромат по пути. Затем повторили эксперимент с пучком мюонных антинейтрино.

Два пучка показали разное поведение, сообщил Коносуке Ивамото, физик Университета Рочестера в Нью-Йорке, на презентации ICHEP.

Странные осцилляции

Ученые ожидали, что если разницы между материей и антиматерией не было, их детектор должен был увидеть 24 электронных нейтрино и 7 электронных антинейтрино после 6 лет экспериментов. Антиматерию сложнее произвести и обнаружить.

Вместо этого они получили 32 нейтрино и 4 антинейтрино. «Не вдаваясь в сложную математику, это говорит о том, что материя и антиматерия осциллирует не одинаково», говорит Чан Ки Юнг, физик Университета Стони-Брук в Нью-Йорке и член эксперимента T2K.

Предварительные результаты экспериментов T2K и NOvA указывают на ту же идею. Но наблюдения до сих пор могут быть результатом случайной флуктуации; есть шанс 1 к 20 (или 2 сигма, если говорить языком статистики) увидеть эти результаты, если нейтрино и антинейтрино ведут себя одинаково, отмечает Юнг.

Понадобится больше данных, чтобы подтвердить сигнал. К концу своего текущего запуска в 2021 году, эксперимент T2K получит в пять раз больше данных, чем есть сегодня. Но команде нужно в 13 раз больше данных, чтобы довести статистическую достоверность до 3 сигма, чтобы большинство физиков начало воспринимать эти данные как разумное — но не вполне убедительное — свидетельство асимметрии.

Два лучше, чем один

Команда T2K предложила продлить свой эксперимент до 2025 года, чтобы собрать все необходимые данные. Но если объединить сбор данных с NOvA, который посылает пучок нейтрино на 810 километров из Лаборатории Ферми в шахту на севере Миннесоты, можно ускорить процесс. NOvA посылал пучки нейтрино и перейдет на пучки антинейтрино в 2017 году. Две группы договорились проводить совместный анализ и планируют выйти на достоверность в 3 сигма к 2020 году, говорит Юнг.

Чтобы набрать статистическую достоверность, необходимую для официального объявления открытия — 5 сигма, — понадобится новое поколение нейтринных экспериментов, которые уже планируются по всему миру.

Исследователи эксперимента NOvA представил еще одну интересную, но преждевременную находку на ICHEP, также выведенную из изучения скорости, с которой мюонные нейтрино переходят в электронные нейтрино: намек на то, какая из трех разных масс нейтрино самая большая. Ответ на этот вопрос должен помочь ученым выбрать одну из конкурирующих теорий касательно того, как четыре природных взаимодействия объединяются в единое при высоких энергиях, как во время Большого Взрыва.

Физики делают открытия на тему нейтрино почти ежегодно, говорит де Гувеа. Это весьма быстро по меркам физики элементарных частиц.