Нейтринный детектор зафиксировал незначительные расхождения в осцилляциях нейтрино и антинейтрино, которые, возможно, способны объяснить преобладание материи над антиматерией во Вселенной.
Для каждого элемента обычной материи существует соответствующий антиэлемент, обладающий такой же массой, но с противоположным электрическим зарядом. В соответствии с известными физическими законами, между ними нет различий – это явление известно как СР-симметрия. Однако, очевидно, что во Вселенной преобладает обычная материя, в то время как антивещества в ней крайне мало.
Впрочем, эта разница должна была стать очевидной уже на начальных этапах формирования Вселенной, в период бариогенезиса (от 10-35 до 10-32 секунды после Большого взрыва). В противном случае, вещество и антивещество аннигилировали бы в равных количествах, и Вселенная состояла бы исключительно из фотонов.
Несмотря на многочисленные исследования, эта задача продолжает оставаться одной из наиболее значимых и нерешенных фундаментальных проблем, и научное сообщество на протяжении десятилетий пытается выявить потенциальные механизмы ее решения нарушения СР-симметрии, некоторые отклонения, способные вызвать уничтожение антиматерии и сохранить вещество, были идентифицированы в поведении кварков. Однако эти отклонения слишком малы и не способны полностью разрешить первоначальную проблему. Для этого необходимы нарушения СР-инвариантности и у лептонов — гораздо более распространенных частиц, в состав которых входят электроны и нейтрино.
Нейтрино — элементарные частицы, обладающие чрезвычайно малым размером и высокой подвижностью. Они слабо взаимодействуют с обычной материей и способны проходить сквозь Землю и Солнце, как через прозрачные объекты. Для регистрации нейтрино требуется, чтобы оно произошло в столкновении с ядром атома. Поэтому для их обнаружения применяются большие объемы очищенной воды или льда, надежно защищенные от внешних воздействий. Только нейтрино, попадая внутрь, эпизодически взаимодействуют с ядрами, порождая новые частицы и слабые вспышки черенковского излучения, фиксируемые высокочувствительными фотоэлементами.
Японский детектор нейтрино Super-Kamiokande расположен глубоко под землей, в массиве горных пород, и содержит около 50 тысяч тонн воды. Чтобы увеличить количество регистрируемых событий, он функционирует с потоком частиц, генерируемых ускорителем J-PARC, находящимся на расстоянии 300 километров. Эта система используется в рамках международного эксперимента Т2К, посвященного исследованиям нейтринных осцилляций — преобразования одного типа нейтрино в другой. В новой статье, опубликованной в журнале Nature, в рамках сотрудничества T2K были обнародованы результаты исследований, которые велись с 2010 года. Несмотря на отсутствие окончательных доказательств нарушения СР-инвариантности для лептонов, авторы выявили признаки, указывающие на ее наличие.
Нейтрино существует в трех разновидностях: электронное, мюонное и тау-нейтрино, причем каждая из них может переходить из одного типа в другой. Этот процесс известен как осцилляции, и, согласно теории, он должен проявляться одинаково как для нейтрино, так и для соответствующих им антинейтрино: электронного, мюонного и тау-антинейтрино. При взаимодействии с водой детектора мюонное нейтрино генерирует мюон, а электронное — электрон, что позволяет фотодетекторам фиксировать эти события. На основе этих наблюдений ученые скорректировали настройки ускорителя и провели повторные эксперименты с потоком антинейтрино, сравнив полученные данные.
Нейтрино обладают исключительной неуловимостью, что подтверждается опытом работы на J-PARC: за десять лет и триллионы столкновений протонов детектор зарегистрировал лишь 90 электронных нейтрино. Число электронных антинейтрино оказалось еще меньше – всего 15. Это указывает на то, что превращение мюонных нейтрино в электронные происходит с большей вероятностью, чем аналогичный процесс для антинейтрино. Если нейтрино действительно демонстрируют нарушение СР-инвариантности, то этого может быть достаточно для объяснения проблемы асимметрии барионной материи во Вселенной, используя существующие моделей.
Авторы статьи, которых насчитывается более 300 человек, отмечают, что полученные результаты требуют дальнейшей доработки. Согласно точным расчетам, степень достоверности полученных данных составляет 95 процентов, что значительно ниже общепринятого порога в 99,7 процента, необходимого для подтверждения научного открытия.