Визуализация процесса регистрации частиц в детекторе.
Ученые наслаждаются изучением тайн, и чем больше тайна, тем больше энтузиазм. В науке есть много глобальных вопросов, на которых нет ответа, и один из самых важных — «почему все существует так, а никак иначе?»
Это может показаться философским вопросом, но он вполне поддается научному исследованию. Более конкретно его можно сформулировать так: «почему Вселенная состоит из материи, которая делает возможной человеческую жизнь, чтобы мы могли задать этот вопрос?» Ученые из Японии объявили о проведении исследования в прошлом месяце, которое непосредственно затрагивает этот вопрос. И, похоже, их измерения не согласуются с простейшими ожиданиями от современной теории и вполне могут указать на ответ этого вневременного вопроса. В их исследовании говорится о том, что для определенного набора субатомных частиц вещество и антивещество действуют по-разному.
Материя vs антиматерия
Используя ускоритель J-PARC, расположенный в Токаи, ученые пускали пучки слабо взаимодействующих с материей субатомных частиц, называемых нейтрино, и их антиматериальных аналогов — антинейтрино — через Землю, к детектору, расположенному в Камиоканде, тоже в Японии. Этот эксперимент, названный T2K (Токай-Камиоканде), призван определить, почему наша Вселенная состоит из материи. Своеобразное поведение нейтрино, называемое осцилляцией нейтрино (превращение нейтрино одного типа в другое — прим. перев.), может пролить свет на этот вопрос.
Вопрос о том, почему Вселенная состоит из материи, может показаться странным, но есть весьма веская причина, по которой ученые удивлены этим. Это потому, что, помимо знания о существовании материи, ученые также знают об антиматерии.
В 1928 году британский физик Поль Дирак предположил, что существует антиматерия — антагонистический брат материи. Объедините равное количество материи и антиматерии, и они уничтожат друг друга, в результате чего высвободится огромное количество энергии. И, поскольку физические принципы обычно работают одинаково хорошо в обоих направлениях, если у вас есть огромное количество энергии, она может преобразовываться поровну в материю и антиматерию. Антиматерия была открыта в 1932 году американцем Карлом Андерсоном, и с тех пор исследователи вот уже почти столетие изучают ее свойства.
Нейтринный детектор в Камиоканде
Тем не менее, фраза «поровну в материю и антиматерию» — суть головоломки. В краткие моменты сразу после Большого взрыва Вселенная была полна энергии. По мере того, как она расширялась и охлаждалась, эта энергия должна была превращаться в равные части материальных и антиматериальных субатомных частиц, которые должны наблюдаться и сегодня. И все же наша Вселенная состоит в основном из материи. Как такое может быть?
Подсчитав количество атомов во Вселенной и сравнив это с количеством энергии, которую мы видим, ученые определили, что «поровну» — не совсем правильно. Каким-то образом, когда Вселенная существовала всего около триллионной доли секунды, законы природы слегка исказились в направлении материи. На каждые 3 миллиарда частиц антиматерии стало приходиться 3 миллирада и 1 частица обычной материи. 3 миллиарда частиц материи и 3 миллиарда частиц антиматерии аннигилировали, превратившись обратно в энергию, оставив небольшой избыток материи, чтобы составить Вселенную, которую мы видим сегодня.
Поскольку эта головоломка была известна еще почти столетие назад, исследователи изучали материю и антиматерию, чтобы выяснить, смогут ли они найти разницу в поведение субатомных частицах, которая объясняла бы избыток материи. Они были уверены, что материя и антиматерия были созданы в равных количествах, но они также заметили, что класс субатомных частиц, называемых кварками, демонстрирует поведение, которое немного благоприятствует материи в сравнении с антиматерией. Эта разница была едва уловимой, и возникла она из-за таких частиц, как К-мезоны, которые могут преобразовывать материю в антиматерию, и наоборот. Был открыт небольшой перевес в получении материи из антиматерии по сравнению с обратным процессом. Это явление было неожиданным, и его открытие привело исследователей к Нобелевской премии в 1980 года, но величины эффекта все равно было недостаточно, чтобы объяснить, почему материя доминирует в нашей Вселенной.
Призрачные лучи
Таким образом, ученые обратили свое внимание на нейтрино, чтобы выяснить, может ли их поведение объяснить избыток материи. Нейтрино — это призраки субатомного мира. Взаимодействуя с веществом только путем слабой ядерной силой, они могут проходить через материю, практически не взаимодействуя с ней. Чтобы дать ощущение масштаба, нейтрино чаще всего создаются в ядерных реакциях, а самый большой ядерный реактор рядом с нами — Солнце. Чтобы защитить себя от половины солнечных нейтрино, потребуется слой свинца около 5 световых лет в толщину — это больше, чем расстояние от нас до Альфа Центавра. Так что нейтрино действительно крайне слабо взаимодействуют с веществом.
В период с 1998 по 2001 год была проведена серия экспериментов, частично с использованием детектора Super Kamiokande, частично с использованием детектора SNO в Садбери, Онтарио. Они окончательно доказали, что нейтрино демонстрируют еще одно удивительное поведение. Они меняют свою личность.
Физики знают о трех разных типах нейтрино, каждый из которых связан с уникальным субатомным братом — электроном, мюоном и таоном. Электроны — это те частицы, которые вызывают электричество. Мюоны и таоны похожи на электроны, но более тяжелые и неустойчивые.
Три типа нейтрино, которые называются соответственно электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино, могут «трансформироваться» в другие типы нейтрино и обратно. Это поведение называется осцилляцией нейтрино.
Осцилляция нейтрино является уникальным квантовым явлением, но его можно примерно представить как ваше взаимодействие с шариками разноцветного мороженного: пока вы ходите за ложкой, мороженное частично растает, и по приходу вы найдете чашку, наполненную разноцветной жидкостью. Нейтрино могут менять свой тип на другой, на несколько типов сразу, и потом вернуться к исходному.
Осцилляция антинейтрино
Нейтрино — это частицы материи, но также существуют антиматериальные нейтрино, называемые антинейтрино. И это приводит к двум важным вопросам. Нейтрино могут осциллировать — обладают ли антинейтрино этим же свойством, и осциллируют ли они так же, как и нейтрино? Ответ на первый вопрос — да, а вот ответ на второй пока неизвестен.
Три цвета — три разных типа нейтрино, и на графике хорошо видно, что со временем (или расстоянием) они «перетекают» из одного типа в другой.
Рассмотрим немного более подробно, но в упрощенном виде: предположим, что существуют только два типа нейтрино — мюонное и электронное. Предположим далее, что у вас был пучок нейтрино чисто мюонного типа. Нейтрино осциллируют с определенной скоростью, и, поскольку они движутся со скоростью света, они осциллируют в зависимости от расстояния от того места, где они были созданы. Таким образом, пучок чистых мюонных нейтрино будет выглядеть как смесь мюонных и электронных нейтрино на некотором расстоянии, затем как чисто электронные нейтрино на другом расстоянии, а затем обратно как мюонные. Антинейтрино делают то же самое.
Однако, если материальные и антиматериальные нейтрино осциллируют при разных скоростях, вы можете ожидать, что, находясь на фиксированном расстоянии от точки, в которой был создан пучок чистых мюонных нейтрино и антинейтрино, то, в случае нейтрино, вы увидите одну смесь мюонных и электронных нейтрино, а в случае антинейтрино — уже другую. Фактическая ситуация осложняется тем, что существует три типа нейтрино, а осцилляция зависит от энергии пучка.
Наблюдение различных скоростей осцилляции нейтрино и антинейтрино было бы важным шагом на пути к пониманию того факта, почему Вселенная состоит из материи. Это не вся теория, поэтому дополнительные новые явления также должны иметь место, но разница между нейтрино и антинейтрино необходима, чтобы объяснить, почему во Вселенной преобладает материя.
В современной теории, описывающей нейтринные взаимодействия, существует переменная, чувствительная к тому, что нейтрино и антинейтрино осциллируют по-разному. Если эта переменная равна нулю, то два типа частиц осциллируют с одинаковой скоростью, если она отлична от нуля, то два типа частиц осциллируют по-разному.
Когда в ходе эксперимента T2K провели измерение этой переменной, было обнаружено, что ее значение не согласуется с гипотезой о том, что нейтрино и антинейтрино осциллируют одинаково. Существует 95% вероятность того, что истинное значение для этой переменной отличается от нуля, и только 5%, что значение переменной — ноль.
Проще говоря, текущее измерение предполагает, что нейтрино и антинейтрино осциллируют с разной скоростью, хотя определенность не поднимается до уровня, чтобы сделать окончательное утверждение. Фактически, критики отмечают, что измерения с таким уровнем статистической значимости следует рассматривать очень и очень скептически. Но это, безусловно, чрезвычайно провокационный результат, и мировое научное сообщество чрезвычайно заинтересовано в совершенствовании и уточнении исследований.
В ходе эксперимента Т2К измерения будут продолжаться, однако это не единственное исследование такого рода. В Фермилабе, расположенном рядом с Чикаго, проводят схожий эксперимент под названием NOVA, в котором пучки нейтрино и антинейтрино направляются на детектор в Северной Миннесоте. И, глядя в будущее, в Фермилабе упорно работают над тем, чтобы новый эксперимент, названный DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), который предполагают совершить к 2020 году, имел больше возможностей для изучения этого важного явления.
В то время как результат T2K не является окончательным, и предостережение оправданно, он, безусловно, дразнящ. Учитывая масштабность вопроса о том, почему наша Вселенная практически не имеет антиматерии, мировое научное сообщество будет с нетерпением ждать дальнейших исследований.
