Нейтринный детектор обнаружил небольшие различия в осцилляциях частиц нейтрино и антинейтрино, и этих различий может быть достаточно для того, чтобы объяснить доминирование вещества над антивеществом в нашей Вселенной.
Внутри детектора Super-Kamiokande / ©The Institute for Cosmic Ray Research of the University of Tokyo
С каждой частицей обычной материи соотносится соответствующая частица антиматерии, точно такая же по массе, но несущая противоположный электрический заряд. С точки зрения известных нам законов физики разницы между ними нет — это свойство называется СР-симметрией. Между тем очевидно, что во Вселенной обычная материя доминирует, а антивещества в ней практически нет.
Более того, разница между ними должна была проявиться еще на самых ранних этапах ее развития, в период бариогенезиса (10-35-10-32 секунды от Большого взрыва). Иначе равные количества вещества и антивещества взаимно уничтожили бы друг друга, и Вселенная осталась бы заполненной одними фотонами.
Эта загадка остается одной из самых актуальных фундаментальных проблем, и ученые уже десятки лет ищут механизмы возможного нарушения СР-симметрии, которые могли бы привести к аннигиляции антиматерии и сохранению обычной. Некоторые такие нарушения действительно были обнаружены в поведении кварков, однако они слишком незначительны и не могут полностью решить исходную проблему. Для этого СР-инвариантность должна нарушаться и у лептонов — куда более многочисленных частиц, включающих электроны и нейтрино.
Напомним, частицы нейтрино — невероятно мелкие и юркие, они практически не взаимодействуют с обычным веществом и могут пройти сквозь Землю и Солнце так, словно те прозрачны. Для того чтобы нейтрино как-то проявило себя, ему необходимо фактически столкнуться с ядром атома «лоб в лоб». Поэтому для их обнаружения используют большие объемы чистой воды или льда, максимально изолированные от попадания частиц извне. Лишь нейтрино, проникая внутрь, иногда взаимодействуют с ядрами, создавая новые частицы и редкие вспышки черенковского излучения, которые регистрируют сверхчувствительные фотоэлементы.
Так действует японский детектор нейтрино Super-Kamiokande, находящийся глубоко в толще гор и заполненный примерно 50 тысячами тонн воды. Для повышения частоты событий он работает с потоком частиц, которые создаются расположенным в 300 километрах источником — ускорителем J-PARC. Система используется в рамках международного эксперимента Т2К, посвященного исследованиям нейтринных осцилляций — перехода одного вида нейтрино в другой. В новой статье, опубликованной в журнале Nature, участники коллаборации Т2К представили результаты этой работы, проводившейся начиная с 2010 года. И хотя однозначных свидетельств нарушения СР-инвариантности у лептонов авторы пока не обнаружили, они нашли достаточно свидетельств, что она существует.
Дело в том, что нейтрино бывают трех видов — электронное, мюонное и тау-, причем каждая из этих частиц способна превращаться в любую. Это явление и называется осцилляциями, и теоретически они должны одинаково проходить и у нейтрино, и у парных им электронного, мюонного и тау-антинейтрино. Сталкиваясь с водой детектора, мюонное нейтрино порождает мюон, а электронное — электрон, и фотодетекторы позволяют различить эти события. Проведя такие наблюдения, ученые изменили параметры работы ускорителя и повторили их с потоком антинейтрино, сопоставив полученные результаты.
Нейтрино настолько неуловимы, что за десяток лет работы и триллионы столкновений протонов на J-PARC детектор зафиксировал в общей сложности 90 электронных нейтрино. Однако электронных антинейтрино оказалось и того 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 моделей.
Впрочем, авторы — а их у новой статьи более 300 — подчеркивают, что результаты еще далеко не окончательны. Точный расчет показывает, что эксперименты позволяют говорить об этом лишь с уверенностью в 95 процентов — куда ниже 99,7 процента, которые обычно считаются границей, за которой можно было бы утверждать о надежно подтвержденном открытии.
