Нарушение симметрии нейтрино и антинейтрино стало ещё заметнее
Физикам удалось увеличить точность измерений разницы в скорости осцилляций нейтрино и её античастицы — антинейтрино, обнаруженной ещё около 10 лет назад. Теперь вероятность того, что эта разница вызвана случайными факторами, ниже 1%. Эта разница, или как её называют учёные асимметрия нейтрино и антинейтрино, может стать ключевым фактом, объясняющим, почему в нашей Вселенной вещества значительно больше, чем антивещества. Измерения были проведены на установке T2K и опубликованы в свежем выпуске журнала Nature.
Нейтрино представляют собой легчайшие и при этом чрезвычайно слабо взаимодействующие с окружающим веществом частицы в изобилии рождающиеся в ядерных реакциях на Солнце и в ядерных реакторах. Каждую секунду через наше тело проходят триллионы этих частиц, тем не менее для их регистрации требуется строить исполинские детекторы, заполненные тоннами воды.
На данный момент известно существование трёх типов нейтрино, называемых также ароматами: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Удивительной особенностью этих частиц является возможность самопроизвольного превращения нейтрино одного типа в нейтрино другого типа. Этот процесс называется нейтринными осцилляциями.
В рамках эксперимента T2K (Tokai-to-Kamioka) мюонные нейтрино и антинейтрино рождаются на протонном ускорителе в J-PARC вблизи города Токаи и направляются в сторону нейтринного детектора Super-Kamiokande, расположенного на расстоянии в 295 км вблизи города Камиока. Этот детектор представляет собой подземный бак, заполненный 50 000 тоннами чистой воды, окружённой тысячами детекторов. При прохождении через воду нейтрино есть небольшая вероятность, что произойдёт ядерная реакция с испусканием гамма-фотонов, которые и регистрируется детекторами.
Детектор способен регистрировать электронные нейтрино и антинейтрино, и поскольку в исходном пучке их нет, то он может измерить, насколько велика вероятность осцилляций для перехода между мюонными и электронными нейтрино. Из-за небольшой дистанции между источником нейтрино и детектором эта вероятность, однако, невелика. Поэтому за период с 2009 по 2018 годы удалось обнаружить всего несколько десятков таких событий.
Тем не менее этого хватило, чтобы заметить существенную разницу в скорости осцилляций нейтрино и антинейтрино. Если бы она отсутствовала, детектор должен был зафиксировать около 68 электронных нейтрино и около 20 антинейтрино. В то время как ему измеренное отношение составило 90 к 15.
С теоретической точки зрения, разница между частицами и античастицами обусловлена нарушением так называемой зарядовой чётности, называемой также CP-симметрией. Эта симметрия утверждает, что частицы и античастицы должны вести себя идентично при зеркальном отражении протекающих процессов. Её нарушение было обнаружено ещё в 1960-х годах в экспериментах с тяжёлыми частицами.
А в 1967 года А. Д. Сахаров показал, что достаточно сильное нарушение CP-симметрии могло бы естественным образом объяснить, почему в наблюдаемой Вселенной практически нет антивещества. Эта проблема асимметрии вещества и антивещества является одной из фундаментальных в современной космологии. И она до сих пор не решена, поскольку CP-асимметрия тяжёлых частиц оказалась слишком слабой.
Если нейтрино, действительно, обладают сильной асимметрией, это, в принципе, могло бы объяснить превалирование вещества во Вселенной, однако для этого нужно подтверждение ещё одной гипотезы. Дело в том, что нейтрино всё же слишком легки и слишком слабо взаимодействуют с другими частицами, поэтому требуется существование более тяжёлого их аналога с похожими свойствами. И такие частицы, оказывается, могут существовать.
У нейтрино есть ещё одна особенность: они все «лево-закрученные», то есть их собственный момент импульса, спин, всегда направлен вдоль направления движения, а у антинейтрино — наоборот. Это позволяет предполагать, что у нейтрино есть частица-партнёр, обладающая противоположным свойством. Такие частицы появляются в некоторых теориях, расширяющих Стандартную модель элементарных частиц, и должны обладать огромной массой. Из-за такой большой массы их пока не удавалось создать в экспериментах, но они могли существовать в плотной и горячей ранней Вселенной. В ней они бы быстро распались на другие частицы, но из-за асимметрии частицы и античастицы распадались бы по-разному, что и привело бы к возникновению асимметрии между веществом и антивеществом.
Тем не менее несмотря на высокую статистическую достоверность полученных результатов, которая превысила уровень 3σ, для однозначного признания открытия требуется уровень 5σ, и эксперимент T2K его достичь не сможет. Не поможет даже объединение результатов с другим похожим экспериментом NOvA, идущим параллельно в США. И вся надежда сейчас на будущие, ещё большие установки DUNE и T2HK, которые начнут работу не раньше конца 2020-х годов, а нужное количество событий зарегистрируют только к середине 2030-х.
Возможное нарушение CP-симметрии, кстати, не единственная причина, почему именно нейтринная физика может принести прорыв в наше понимание природы. Недавно я составил список из ещё пяти причин обратить на это направление науки более пристальное внимание.
Источники:
- Silvia Pascoli & Jessica Turner, Matter–antimatter symmetry violated // Nature News & Views
- Natalie Wolchover, Neutrino Asymmetry Passes Critical Threshold // Quanta Magazine
