Возможно, мы на шаг приблизились к разгадке одной из самых больших и фундаментальных тайн Вселенной. Ученые считают, что когда Вселенная родилась почти 14 миллиардов лет назад, она содержала равное количество материи и ее причудливого двойника — антиматерии. Частицы антиматерии имеют ту же массу, что и их «нормальные» собратья, но противоположные электрические заряды. Пожалуй, самый известный такой дуэт — электрон (обычная отрицательно заряженная частица) и позитрон (положительно заряженная античастица).
В этом и заключается загадка: логично ожидать, что если бы при рождении Вселенной появилось одинаковое количество частиц и античастиц, они все должны были бы найти и уничтожить друг друга, оставив наш космос совершенно пустым — не было бы ни нас, ни Земли, ни Солнца. Но, как мы видим, этого не произошло, на что ясно указывает наше существование. И все это из-за того, что в итоге оказалось небольшое превышение вещества над антивеществом — всего одна частица на миллиард пар частица-античастица.
На протяжении многих лет физики собирали по крупицам информацию, которая могла бы объяснить избыток вещества. Например, в 1960-х годах они выяснили, что кварки — фундаментальные частицы, строительные блоки протонов и нейтронов — и антикварки ведут себя слегка по-разному. Это нарушение комбинированной четности, или CP-инвариантности, заключается в том, что в некоторых процессах слабого взаимодействия — например, бета-распаде ядер кобальта-60 — симметрия нарушается, то есть некоторые реакции распада происходят не так же часто, как их зеркальные двойники.
Казалось бы, вот оно решение одной из главных тайн Вселенной — но нет. Нарушение комбинированной четности кварков не является достаточно существенным, чтобы объяснить неравные количества материи и антиматерии «на старте».
Простейшая аннигиляция: электрон и позитрон дают два кванта высоких энергий.
Однако может быть и другой тип нарушения симметрии. В конце концов, кварки не единственные субатомные частицы в мире. У них есть родственники, известные как лептоны — категория, которая включает электроны, мюоны и нейтрино. Так, кварки и лептоны, в свою очередь, являются фермионами, одной из двух основных категорий субатомных частиц. Другая категория — это бозоны, куда входят частицы, переносящие взаимодействие, такие как фотон, глюон, бозон Хиггса и еще не подтвержденный гравитон.
Новое исследование тщательно изучило признаки нарушения CP-инвариантности у нейтрино и дало некоторые интересные результаты. Данные получены в основном из эксперимента T2K (Tokai to Kamioka), который проводится в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей в городе Токай, в котором генерируются пучки нейтрино или антинейтрино, в зависимости от экспериментальной установки.
Подавляющее большинство частиц пучка проносятся сквозь землю, как будто нашей планеты там вообще нет — за эту необычную особенность нейтрино и зовут «призрачными частицами». Но очень небольшое их количество все-таки обнаруживается подземным детектором в лаборатории города Камиока, в 295 километрах от Токая.
Этот детектор представляет собой резервуар, заполненный 55 000 тонн очень чистой воды. Когда нейтрино взаимодействует с нейтроном в резервуаре, в результате может родиться мюон или электрон. И чувствительное оборудование по краям резервуара способно улавливать эти вторичные частицы.
Такое детектирование содержит много полезной информации. Например, во время путешествия нейтрино колеблются между тремя разными «ароматами» (видами): электронным, мюонным и тау. Да, названия ароматов сбивают с толку, учитывая, что существуют такие частицы, как электрон, мюон и таон — вот такая вот запутанная физика частиц. Но ароматы получили свои названия не просто так — именно они определяют, какая вторичная частица образуется при столкновении нейтрино с нейтроном.
Физики Сильвия Пасколи и Джессика Тернер из Университета Дарема в Англии и Fermilab Министерства энергетики США в Иллинойсе соответственно в сотрудничестве с учеными T2K проанализировали данные, собранные проектом с 2009 по 2018 год, а также изучили наблюдения из аналогичных экспериментов. В новой работе, которая была опубликована 15 апреля в журнале Nature, исследователи сообщают, что они нашли доказательства того, что нейтрино и антинейтрино колеблются по-разному.
«Результаты исключают сохранение СР (то есть они предполагают, что нарушение СР-инвариантности происходит) при уровне достоверности в 95% и показывают, что параметр нарушения CP, скорее всего, будет большим», — пишут Пасколи и Тернер в сопроводительной статье «Новости и взгляды» в том же номере Nature.
«Эти результаты могут объяснить происхождение асимметрии вещества и антивещества в нашей Вселенной», — добавили они. Однако стоит понимать, что полученные ими данные все еще нужно перепроверить, к тому же пока не известно, насколько сильно они соответствуют наблюдаемому расхождению количества частиц и античастиц.
Визуализация столкновений нейтрино с нейтронами в детекторе.
«Мы видим некоторые признаки», — сказал ведущий автор исследования Ацуко К. Итикава, физик из Киотского университета в Японии. «Нынешний результат является важным шагом для наблюдений за нарушением CP-инвариантности нейтрино».
Для следующего шага потребуется больше данных, подчеркнул Итикава. Но на этом фронте есть и хорошие новости: несколько нейтринных экспериментов следующего поколения уже активно строятся. Например, японский T2HK, который будет похож на T2K, но будет более мощным и дальнобойным, в феврале официально получил зеленый свет, отметили Пасколи и Тернер. А Глубокий подземный нейтринный эксперимент (DUNE), в рамках которого планируют запускать пучки нейтрино и антинейтрино из Fermilab и обнаруживать их с помощью детекторов в Южной Дакоте, планируют запустить в эксплуатацию в середине 2020-х годов.
T2HK и DUNE «предоставят дополнительные методы и измерения», написали Пасколи и Тернер. «Они, вероятно, дадут нам окончательный ответ в поисках нарушений CP-инвариантности в ближайшие 15 лет». И, скорее всего, тогда мы и сможем окончательно поставить точку в вопросе превосходства материи над антиматерией во Вселенной.
