Нейтрино расскажут, почему мы существуем
Новые результаты нейтринной физики объясняют, почему во Вселенной преобладает материя.
Коллаборация T2K представила на проходящей в Чикаго Международной конференции по физике высоких энергий доклад с результатами исследования нейтрино. В частности, речь идет о различных превращениях нейтрино и антинейтрино, что свидетельствует о нарушении CР симметрии.
Возникшая в результате Большого взрыва Вселенная должна быть симметричной: в ней должно существовать одинаковое количество материи и антиматерии. За это отвечает так называемая CР симметрия, принцип, согласно которому законы физики должны быть такими же, если физическую систему отразить в зеркале, а всю материю поменять на антиматерию. Однако сегодня во Вселенной преобладает материя, благодаря чему мы и существуем. Иначе наша Вселенная содержала бы только фотоны в результате неизбежной аннигиляции материи и-антиматерии. Почему это именно так – один из самых интригующих вопросов во всей науке.
Объяснить наблюдаемое преобладание материи над антиматерией можно только при условии нарушения CP симметрии. Такое нарушение впервые обнаружено еще в 1964 году (Нобелевская премия 1980 года). Оно позволяет очень тяжелым нейтральным частицам распадаться на нейтрино с немного более высокой скоростью, чем на антинейтрино, что создает первоначальный дисбаланс в количестве вещества и антивещества. Без этого процесса мы не могли бы существовать.
Нейтрино представляют собой слабовзаимодействующие с веществом элементарные частицы, существующие в трех видах – «ароматах»: электронное, мюоное и тау нейтрино и антинейтрино, которые могут превращаться друг в друга (осциллировать). Если для них происходит нарушение СР симметрии, то оно будет проявляться в виде разницы вероятностей осцилляций нейтрино и антинейтрино.
В эксперименте T2K (Tokai to Kamioka, «Токай в Камиоку») физики в первую очередь исследуют превращение мюонных нейтрино в электронные нейтрино, впервые обнаруженные в нем в 2011 году. Существующее оборудование позволяет осуществить наиболее точные на сегодняшний день измерения вероятности этих осцилляций и разности между массами нейтрино. Пучок мюоных нейтрино или антинейтрино производится на ускорителе протонов исследовательского комплекса J-PARC, расположенного в деревне Токай на восточном побережье Японии. Затем он проходит 295 км и поступает в гигантский подземный детектор Супер-Камиоканде в Камиока, недалеко от западного побережья Японии. В состав коллаборации T2K входят около 500 исследователей из 61 института 11 стран, в том числе из московского Института ядерных исследований РАН.
В экспериментах наблюдаемая вероятность появления электронного антинейтрино оказалась ниже, чем следовало ожидать в предположении, что СР-симметрия сохраняется. Так при наличии сохранения СР-симметрии на 23 нейтрино должно приходиться примерно 7 антинейтрино, в то время как было зарегистрировано 32 электронных нейтрино и всего 4 электронных антинейтрино.
Физики осторожничают, говоря о том, что результаты T2K отнюдь не окончательное открытие. Скорее, это первый важный шаг к выяснению вопроса о причинах преобладания материи во Вселенной.
По материалам официального сайта эксперимента T2K
