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.
Нейтрино могут открыть тайну антиматерии
Илья Хель
