Очень ранняя Вселенная: материя и антиматерия
В самом начале нашей Вселенной, когда она была бурлящим горячим котлом энергии, частицы материи и антиматерии возникали в равных пропорциях. Например, отрицательно заряженные электроны создавались в том же количестве, что и их «братья» из антиматерии — положительно заряженные позитроны. Когда две частицы сталкивались, они взаимно уничтожались.
Современные эксперименты
Спустя миллиарды лет в нашем мире преобладает материя. Каким-то образом она «выиграла» у антиматерии, но учёные до сих пор не знают как. Теперь два крупнейших эксперимента, направленные на поиск ответов, — проекты, посвящённые субатомным частицам, называемым нейтрино, — объединили свои усилия.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Nature, международное сотрудничество, представляющее эксперименты NOvA в Соединённых Штатах и T2K в Японии, представило одни из самых точных измерений нейтрино в этой области. Две команды решили объединить свои данные, чтобы узнать больше, чем мог бы любой эксперимент в одиночку.
«Объединив эти два усилия, мы сможем выявить новые идеи о том, как работают нейтрино», — говорит Райан Паттерсон, профессор физики в Калифорнийском технологическом институте, который руководил частью исследования, связанной с NOvA.
Цель экспериментов
Цель обоих проектов — определить, ведут ли обычные нейтрино и антинейтрино (их аналоги из антиматерии) себя асимметрично по отношению друг к другу. Эта асимметрия могла бы объяснить, почему в ранней Вселенной преобладала материя. Новые результаты пока не указывают на это, но точные измерения приближают учёных к пониманию тайны.
«Физика нейтрино — странная область. Очень сложно выделить эффекты», — говорит Кендалл Ман, профессор Мичиганского государственного университета и сокоординатор проекта T2K.
Эксперименты с длинной базовой линией
Оба эксперимента известны как «с длинной базовой линией», что означает, что они посылают нейтрино, путешествующие через земную кору, на сотни километров. NOvA, эксперимент NuMI Off-axis νe Appearance, посылает пучок нейтрино на 810 километров от источника в Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США (Fermilab) недалеко от Чикаго к детектору нейтрино весом 14 000 тонн в Эш-Ривер, Миннесота.
Эксперимент T2K отправляет пучок нейтрино на 295 километров на запад от города Токаи в центральной Японии в Камиоку — отсюда и название T2K. Токаи является домом для Японского комплекса по исследованию протонов (J-PARC), а в Камиоке находится детектор нейтрино Super-Kamiokande, огромный резервуар с ультрачистой водой, расположенный под километром земли.
Открытие массы нейтрино
В 1998 году Super-Kamiokande обнаружил, что нейтрино имеют массу, — знаковый результат, который позже принёс двум его первооткрывателям Нобелевскую премию по физике 2015 года.
Но хотя нейтрино имеют массу, они чрезвычайно лёгкие, и их часто называют призрачными из-за способности беспрепятственно проходить через такие вещества, как земля под нами.
Они бывают трёх видов: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Когда нейтрино путешествуют в космосе или в земле, они могут менять свой «вкус». Если представить «вкусы» как клубничное, шоколадное и ванильное мороженое, это было бы похоже на то, как ваш рожок с клубничным мороженым по пути домой превратился в шоколадный.
Это явление, называемое осцилляцией нейтрино, связано с тем, что каждый «вкус» представляет собой квантовую суперпозицию трёх различных «состояний» массы, каждое со своей массой. По мере того как нейтрино путешествуют, относительные пропорции каждого из этих трёх состояний массы будут меняться, что меняет их «вкус».
Большой вопрос для учёных, занимающихся нейтрино, заключается в том, меняют ли обычные нейтрино и антинейтрино «вкус» по-разному, асимметрично. Если да, это помогло бы решить проблему отсутствия антиматерии.
Изучение осцилляции нейтрино
Для изучения осцилляции нейтрино исследователи создают нейтрино или антинейтрино определённого «вкуса» в источнике экспериментов, а затем измеряют, какие «вкусы» достигают детекторов. В случае NOvA, например, это означает отправку частиц из Фермилаб в детектор в Миннесоте.
«Пока наши нейтрино путешествуют через земную кору, они приобретают ещё одну асимметрию по пути в дополнение к возможной внутренней асимметрии в самих частицах. Именно эта внутренняя асимметрия может помочь объяснить отсутствие антиматерии в нашей Вселенной», — говорит Паттерсон. «Оба эффекта учат нас новому о нейтрино, но их разделение имеет ключевое значение».
Порядок масс нейтрино
Один из сложных аспектов изучения осцилляции нейтрино заключается в том, что учёные не знают фактических масс трёх состояний массы, составляющих каждый «вкус» нейтрино. Это как знать, что клубничное, шоколадное и ванильное мороженое сделаны из трёх уникальных ингредиентов в разных пропорциях, но не знать, насколько они тяжёлые.
Учёные активно пытаются выяснить относительный порядок трёх состояний массы. В случае с тремя ингредиентами мороженого это похоже на вопрос о том, как их массы соотносятся друг с другом. Существует два возможных порядка. При так называемом нормальном порядке два из состояний массы относительно лёгкие, а одно тяжёлое, в то время как при инвертированном порядке есть два более тяжёлых состояния массы и одно лёгкое.
«Разрешение вопроса о порядке масс — ещё одна центральная цель в этой области», — объясняет Паттерсон. «Это связано с широким спектром явлений — от субатомного до космологического масштаба».
Объединённые результаты NOvA и T2K пока не отдают предпочтение одному сценарию порядка масс над другим. Однако, если будущие результаты покажут, что порядок масс нейтрино инвертирован, а не нормален, результаты NOvA и T2K, опубликованные сегодня, предоставят доказательства того, что нейтрино действительно демонстрируют подозреваемую асимметрию, потенциально объясняя, почему во Вселенной преобладает материя, а не антиматерия.
В будущем учёные проанализируют больше данных из NOvA и T2K, а также данные, полученные в запланированных экспериментах с нейтрино, которые, когда начнут работу в начале 2030-х годов, предоставят ещё более точные измерения. Учёные из Калифорнийского технологического института под руководством Паттерсона помогают разрабатывать эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который строится в Иллинойсе и Южной Дакоте.
Благодаря более длинной базовой линии в 1300 километров, DUNE будет более чувствителен к порядку масс нейтрино, чем NOvA и T2K, и сможет дать физикам окончательный ответ вскоре после запуска. Япония также строит новый эксперимент с нейтрино — Hyper-Kamiokande, продолжение Super-Kamiokande, а Китай строит эксперимент под названием Jiangmen Underground Neutrino Observatory.