Учёные сделали шаг вперёд в решении давней загадки физики — почему Вселенная вообще содержит материю — благодаря новому совместному анализу данных двух ведущих мировых экспериментов по изучению нейтрино.
Объединив почти 16 лет измерений, эксперимент NOvA в США и эксперимент T2K в Японии создали самую точную на сегодняшний день картину того, как нейтрино и их близнецы из антиматерии (антинейтрино) превращаются, пролетая через пространство. Результаты, опубликованные 22 октября в журнале Nature, позволяют точнее искать тонкие различия в поведении этих частиц — различия, которые могут объяснить, почему материя возобладала над антиматерией в ранней Вселенной.
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц, если между ними существует полная симметрия, Большой Взрыв должен был создать почти 14 миллиардов лет назад равное количество материи и антиматерии. Более того, поскольку материя и антиматерия аннигилируют при контакте, идеально сбалансированная Вселенная должна была бы завершить своё существование всплеском чистой энергии. Однако сегодняшний космос подавляюще состоит из материи, что указывает на существование некоего тонкого механизма, давшего материи небольшое и всё ещё загадочное преимущество на ранних этапах.
Главный подозреваемый в нарушении равновесия — нейтрино, призрачная, почти невесомая частица, пронизывающая Вселенную, но крайне редко с чем-либо взаимодействующая. Именно поэтому учёные часто называют их «призрачными частицами». Физики давно задаются вопросом: ведут ли себя нейтрино и антинейтрино по-разному так, как могут зафиксировать эксперименты? Даже небольшое несоответствие, известное как нарушение CP-инвариантности (CP-симметрии), могло бы пролить свет на то, как материя получила своё космическое преимущество.
«Хотя нам ещё многое предстоит понять, ключевой экспериментальный вопрос ясен: можем ли мы наблюдать это нарушение симметрии у нейтрино, и если да, то насколько оно велико?» — заявил Space.com Райан Паттерсон, профессор физики Калифорнийского технологического института и сопредседатель группы NOvA.
Нейтрино меняют «аромат»
Часть того, что делает нейтрино такими неуловимыми — и такими интригующими — это их способность менять идентичность. Они существуют в трёх «ароматах» (электронное, мюонное и тау-нейтрино), и по мере движения в пространстве они осциллируют между этими типами, поскольку каждый аромат представляет собой смесь трёх массовых состояний. При движении нейтрино эти базовые массовые состояния изменяются, заставляя частицы превращаться из одного аромата в другой.
«Если представить ароматы как клубничный, шоколадный и ванильный, это было бы похоже на то, как если бы ваше клубничное мороженое по дороге домой превратилось в шоколадное», — поясняет недавнее заявление Калтеха.
Отслеживая эти изменения ароматов, учёные могут измерить крошечные разницы в массах, управляющие нейтринными осцилляциями, а сравнивая поведение нейтрино и антинейтрино — исследовать нарушение CP-инвариантности.
Для этого эксперимент NOvA (сокращение от NuMI Off-axis νe Appearance) направлял пучок нейтрино из Фермилаба под Чикаго на детектор в 500 милях (800 км) в Миннесоте. На другой стороне Тихого океана японский эксперимент T2K (от Tokai-to-Kamioka) направлял свой собственный пучок на расстояние 183 миль (295 км) из Исследовательского комплекса протонных ускорителей в Токай к гигантскому детектору Super-Kamiokande, расположенному на глубине 0,6 миль (около 1 км) под горой в Камиоке.
Поскольку эксперименты работают на разных расстояниях и энергиях, каждый из них фиксирует дополнительные особенности нейтринных осцилляций. Объединение их данных позволяет исследователям изолировать тонкие параметры, контролирующие превращения нейтрино.
Ключевой результат совместного анализа — значительно уточнённое измерение одного из самых фундаментальных параметров осцилляций, известного как разность квадратов масс нейтрино. Коллаборация ограничила это значение всего 2% погрешностью, что делает его одним из самых точных измерений из когда-либо зарегистрированных.
«Это основа для всех остальных измерений, которые мы проводим», — сказал Паттерсон. Он добавил, что этот прогресс также открывает пути для определения иерархии масс нейтрино — всё ещё неизвестного упорядочивания трёх массовых состояний нейтрино.
«На сегодняшний день мы признаём существование трёх семейств нейтрино, каждое из которых связано с определённой массой, — сказал Space.com Федерико Санчес, экспериментальный физик, специализирующийся на физике нейтрино, и давний участник T2K. — Но нам по-прежнему не хватает фундаментального понимания, почему их именно три, а не две, четыре или больше, и почему разности их масс принимают конкретные значения, которые мы наблюдаем».
«Иерархия масс является не только краеугольным камнем для многих теоретических расчётов и предсказаний, но также даёт осязаемый результат, который можно напрямую сравнить с существующими моделями», — добавил он.
Иерархия масс влияет на то, как по-разному осциллируют нейтрино и антинейтрино — ключевую часть поиска нарушения CP-инвариантности. При так называемой нормальной иерархии один из трёх известных «ароматов» нейтрино, мюонные нейтрино, превращаются в электронные нейтрино легче, чем их аналоги из антиматерии, мюонные антинейтрино, превращаются в электронные антинейтрино. При инвертированной иерархии эта картина меняется на противоположную.
Новый совместный анализ не может сказать, какую иерархию предпочитает природа. Но если будущие данные покажут, что иерархия является инвертированной, Паттерсон говорит, что уже имеющийся набор данных намекает, что нейтрино могут нарушать CP-симметрию. Если же данные подтвердят нормальную иерархию, для выявления конкурирующих эффектов потребуется ещё больше данных.
«Физика нейтрино — странная область. Очень сложно изолировать эффекты, — сказал в заявлении Калтеха Кендалл Ман, профессор Университета штата Мичиган и представитель T2K. — Совместный анализ позволяет нам изолировать один из этих эффектов, и это прогресс».
Новый общий «язык» для нейтринной науки
Помимо непосредственных физических результатов, исследователи заявляют, что одним из самых значительных достижений коллаборации стала разработка начальной общей основы — общего «языка» для описания нейтринных взаимодействий в разных экспериментах.
Хотя все эксперименты основаны на одной и той же базовой физике, каждый из них делает разные допущения и методологические выборы, исходя из уникальной конструкции детектора. Одними из самых критических допущений являются те, что касаются взаимодействия нейтрино с веществом (что необходимо для точного восстановления их энергии), и того, сколько нейтрино рождается при заданной энергии, сказал Санчес.
Даже небольшие различия в этих моделях могут повлиять на интерпретацию картин осцилляций, отметил он. Унифицировав эти допущения, коллаборация создала стартовый шаблон, который будущие эксперименты смогут принять, чтобы обеспечить прямую сопоставимость своих результатов.
«Точность этих измерений критически важна, поскольку даже тонкие несоответствия могут сигнализировать об отклонениях от модели, потенциально открывая новую физику, — сказал Санчес — Чем точнее согласие, тем увереннее мы в правильности нашего описания».
Время выбрано идеально. Учёные говорят, что такая унифицированная основа будет необходима для следующего поколения сверхчувствительных экспериментов — Глубокого подземного нейтринного эксперимента (DUNE) в Иллинойсе и Южной Дакоте и Hyper-Kamiokande в Японии, которые строятся и, как ожидается, начнут работу в 2028 году. Эти детекторы следующего поколения будут проводить измерения, гораздо более чувствительные, чем NOvA или T2K, и потенциально смогут предоставить окончательные доказательства нарушения CP-инвариантности в следующем десятилетии.
И если нейтрино действительно обращаются с материей и антиматерией по-разному, учёные могут, наконец, раскрыть давно разыскиваемую причину, по которой Вселенная существует в той форме, которую мы знаем сегодня.
Исследование, посвящённое этим результатам, было опубликовано 22 октября в журнале Nature.
В нашем Telegram‑канале, вы найдёте новости о непознанном, НЛО, мистике, научных открытиях, неизвестных исторических фактах. Подписывайтесь, чтобы ничего не пропустить.
Поделитесь:
Оставьте Комментарий