Нейтринный детектор выявил незначительные отклонения в колебаниях нейтринов и антинейтринов, которые могли бы пролить свет на преобладание вещества над антивеществом во Вселенной.
Каждой частице обычной материи соответствует соответствующая частица антиматерии с такой же массой, но противоположным электрическим зарядом. Согласно известным нам законам физики разницы между ними нет — это свойство называется СР-симметрией. Тем не менее во Вселенной преобладает обычная материя, а антивещества в ней практически отсутствует.
Разница между веществом и антивеществом должна была проявиться на самых ранних этапах развития Вселенной, в период бариогенезиса (от 10 до 35-10 до 32 секунд после Большого взрыва). В противном случае равные количества вещества и антивещества взаимно уничтожили бы друг друга, и Вселенная осталась бы заполненной одними фотонами.
Эта загадка по-прежнему одна из самых важных фундаментальных проблем, а учёные уже много лет пытаются найти механизмы её решения. нарушения СР-симметрииНекоторые нарушения могли бы привести к аннигиляции антиматерии и сохранению обычной материи. Подобные нарушения наблюдались в поведении кварков, но они слишком малы и не способны полностью разрешить проблему. Для этого нарушение СР-инвариантности должно коснуться лептонов — более многочисленных частиц, таких как электроны и нейтрино.
Частицы нейтрино невероятно малы и подвижны, почти не взаимодействуя с обычным веществом, могут проходить сквозь Землю и Солнце как через прозрачные тела. Для проявления свойств нейтрину необходимо столкнуться с атомным ядром. Для их обнаружения применяют большие объемы чистой воды или льда, максимально изолированные от внешних частиц. Лишь проникая внутрь, нейтрино взаимодействуют с ядрами, создавая новые частицы и редкие вспышки черенковского излучения, которые регистрируют сверхчувствительные фотоэлементы.
Японский детектор нейтрино Super-Kamiokande, находящийся глубоко под землёй и наполненный около 50 тысячами тонн воды, действует таким образом. Для увеличения частоты событий он работает с потоком частиц, которые создаёт источник — ускоритель J-PARC, расположенный в 300 километрах. Система используется в международном эксперименте. Т2К, посвященного исследованиям нейтринных осцилляций— превращение одного вида нейтрино в другой. В новом статье, опубликованной в журнале NatureУчастники коллаборации Т2К представили результаты работы, начатой в 2010 году. Авторы пока не обнаружили однозначных свидетельств нарушения СР-инвариантности у лептонов, но нашли достаточно данных о её существовании.
Нейтрино бывают трех видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино, каждое из которых способно превращаться в любое другое.
Это явление называется осцилляциями. Теоретически оно должно происходить одинаково у нейтрино и антинейтрино. Сталкиваясь с водой детектора, мюонное нейтрино порождает мюон, а электронное — электрон. Фотодетекторы позволяют различить эти события.
Проведя такие наблюдения с потоком нейтрино, ученые изменили параметры работы ускорителя и повторили их с потоком антинейтрино, сопоставив полученные результаты.
Нейтрино настолько неуловимы, что за десять лет работы и триллионы столкновений протонов на J-PARC детектор зафиксировал всего 90 электронных нейтрино. Электронных антинейтрино оказалось ещё меньше — всего 15. Это позволяет предположить, что осцилляции с превращением мюонных нейтрино в электронные происходят чаще, чем аналогичный переход у антинейтрино. И если для нейтрино СР-инвариантность действительно может нарушаться, то этого достаточно для объяснения проблемы барионной асимметрии Вселенной в рамках существующих теорий. моделей.
Более трёхсот авторов новой статьи отмечают, что результаты пока не окончательны. Точный расчёт указывает на вероятность в 95 процентов — меньше чем 99,7 процента, обычно рассматриваемого как пороговый уровень для подтверждения открытия.