Вселенная полна загадок, и одна из самых интригующих — почему она состоит почти исключительно из материи? В момент Большого взрыва частицы и античастицы должны были появиться в равных пропорциях, но что-то склонило чашу весов в пользу первых.

Виноваты, возможно, нейтрино. Сейчас ученые по всему миру проверяют гипотезу, что они способны быть собственными античастицами (фермионы Майораны) и влиять на наблюдаемую асимметрию. Если эти предположения подтвердятся, мы приблизимся к разгадке, почему космос стал таким, каким мы его знаем.

Загадка антиматерии и роль нейтрино

Большой взрыв положил начало всему. В тот момент, когда Вселенная была невероятно горячей и плотной, энергия породила пары частиц. Электроны соседствовали с позитронами, протоны — с антипротонами. По законам физики эти пары должны были полностью уничтожить друг друга, превратившись в энергию по формуле Эйнштейна E=mc², оставив лишь пустой космос без звезд, планет и жизни. Но этого не произошло. Материя каким-то образом получила крошечное преимущество — примерно одна лишняя частица на миллиард пар. Этот дисбаланс, известный как бариогенез, позволил сформироваться всему, что нас окружает.

Почему так случилось? Это одна из величайших тайн физики, и Стандартная модель — наш главный инструмент для описания мира частиц — не дает ответа. Она прекрасно объясняет взаимодействия кварков, электронов, фотонов и других строительных блоков Вселенной, но не способна пояснить, почему материя доминирует. Значит, нужно искать новую физику, выходящую за рамки известных законов. И здесь в центре внимания оказываются нейтрино — субатомные частицы с невероятно малой массой, в миллионы раз меньшей, чем у электрона, и без заряда.

Каждую секунду через ваше тело проходят миллиарды нейтрино, в основном от Солнца, но вы этого не замечаете, потому что они почти не взаимодействуют с материей. В 1990-х годах эксперименты Super-Kamiokande в Японии и SNO в Канаде показали, что нейтрино обладают массой — вопреки предположениям Стандартной модели, считавшей их безмассовыми, как фотоны. Это открытие стало первым намеком на физику за пределами известных законов. Более того, нейтрино способны «переключаться» между тремя типами — электронным, мюонным и тау-нейтрино. Это явление, называемое осцилляцией, зависит от их массы и пройденного расстояния, и оно также указывает на ограниченность текущих теорий.

Их уникальные свойства делают нейтрино ключом к пониманию асимметрии Вселенной. Ученые предполагают, что эти частицы могли сыграть решающую роль в процессах, которые обеспечили перевес материи в первые мгновения после Большого взрыва. Чтобы проверить эту гипотезу, проводятся масштабные эксперименты, такие как Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) в США, которые ищут следы нарушения фундаментальных симметрий природы.

CP-симметрия: ключ к асимметрии Вселенной

Чтобы понять роль нейтрино в исчезновении антиматерии, нужно обратиться к CP-симметрии — сочетанию зарядовой (C) и паритетной (P). Первая отвечает за равенство поведения частицы и античастицы, вторая — за эквивалентность объекта и его зеркального отражения. В совокупности они требуют полной одинаковости, но если паритет нарушается, материя получает преимущество над антиматерией.

Искажение CP-симметрии впервые обнаружили в 1960-х годах в экспериментах с мезонами — частицами, состоящими из кварка и антикварка. Открытие, удостоенное Нобелевской премии в 1980 году, стало сенсацией. К сожалению, обнаруженный эффект был слишком слабым, чтобы объяснить бариогенез. В июле 2025 года ученые на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN зафиксировали нарушение CP-симметрии в барионах — частицах из трех кварков, таких как протоны и нейтроны. Но и этот эффект оказался недостаточным для объяснения доминирования материи. Теперь надежды возлагаются на нейтрино, которые могут проявить более значительное нарушение CP-симметрии.

Почему это важно? Если нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, это может объяснить перевес материи в первые мгновения Вселенной. Гипотетические тяжелые «праворукие» нейтрино могли распадаться с перекосом в пользу материи, а следы этого процесса сохранились в свойствах легких нейтрино. Такой механизм поддерживает гипотезу лептогенеза, где избыток лептонов превращался в барионную асимметрию через процессы раннего космоса. Подтверждение нарушения стало бы серьезным шагом в пользу этого сценария.

Существует гипотеза, что нейтрино — частицы Майораны, то есть совпадают со своими античастицами. В этом случае они могли бы взаимно уничтожаться внутри ядра при особом процессе — безнейтринном двойном бета-распаде. Тогда вместо электронов и антинейтрино остаются только электроны и лишняя энергия. Зафиксировать такой редкий сигнал пытаются несколько крупных экспериментов в разных странах.

Эксперименты, которые помогут найти ответы

Изучение нейтрино — невероятно сложная задача из-за их слабого взаимодействия с материей. Чтобы уловить эти «призрачные» частицы, нужны гигантские детекторы и сложные эксперименты. Один из самых амбициозных проектов — Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) в США. DUNE использует мощный пучок нейтрино и антинейтрино, который отправляется из Национальной лаборатории Фермилаб в Иллинойсе в подземный комплекс Sanford в Южной Дакоте на расстояние 1 300 км. Никакого туннеля не требуется: нейтрино проходят сквозь Землю, почти не взаимодействуя с ней.

Детекторы на глубине 1,5 км фиксируют осцилляции частиц, наблюдая, как они меняют тип — от электронного к мюонному или тау. Главная задача DUNE — сравнить поведение нейтрино и антинейтрино и проверить, есть ли признаки нарушения CP-симметрии. Даже без точного измерения силы эффекта эксперимент сможет задать его верхнюю границу. Если различия окажутся заметными, это усилит гипотезу о роли нейтрино в исчезновении антиматерии. Сбор данных начнется в 2029 году, и, как отмечает физик Ширли Ли из Калифорнийского университета в Ирвине, это один из важнейших шагов для понимания Вселенной.

DUNE не единственный проект, который ищет все эти ответы. T2K в Японии, начавший сбор данных в 2010 году, уже показал предварительные признаки нарушения CP-симметрии в нейтрино. В эксперименте T2K в Японии пучок отправляется из комплекса J-PARC в Токае в детектор Super-Kamiokande, расположенный в 295 км. Результаты пока не окончательные, но они дают надежду, что DUNE сможет подтвердить эти наблюдения с большей точностью. Похожим образом работает проект NOvA в США: нейтрино из Фермилаба проходят 810 км до детектора в Миннесоте. NOvA также зафиксировала намеки на нарушение CP-симметрии, однако для уверенных выводов требуется больше статистики.

Что касается проверки гипотезы относительно частиц Майораны, то один из лидеров в этой области — KamLAND-Zen в Японии. Эксперимент использует 750 кг ксенона-136, растворенного в жидком сцинтилляторе, окруженном сверхчувствительными детекторами. Установка расположена глубоко под землей, чтобы минимизировать помехи от космических лучей. KamLAND-Zen уже установил строгие ограничения на вероятность безнейтринного распада, и новые фазы эксперимента, с большим количеством ксенона, должны увеличить чувствительность.

Аналогичные усилия предпринимаются в проекте nEXO в Канаде, который планирует использовать 5 тонн жидкого ксенона, и LEGEND в Италии, где детекторы основаны на германии-76. Эксперимент NEXT в Испании применяет газообразный ксенон, что позволяет лучше отслеживать траектории электронов, возникающих при распаде. Каждый из этих проектов использует уникальные технологии, чтобы повысить шансы уловить редкое событие, которое может подтвердить природу нейтрино как частиц Майораны.

Эти эксперименты взаимодополняют друг друга: DUNE и T2K ищут нарушение CP-симметрии, а KamLAND-Zen, nEXO, NEXT и LEGEND проверяют, не являются ли нейтрино частицами Майораны. Их совместные результаты могут подтвердить гипотезу лептогенеза, согласно которой тяжелые частицы в ранней Вселенной породили избыток лептонов, а те превратились в излишек барионов, из которых возникла материя. Такой сценарий объяснит асимметрию и поставит новые вопросы — например, существуют ли «скрытые» разновидности и какие еще механизмы влияли на эволюцию космоса.

В целом нейтрино могут оказаться ключом к разгадке того, почему наша Вселенная состоит из материи, а не антиматерии. Эксперименты вроде DUNE, T2K и KamLAND-Zen не только проверяют пределы Стандартной модели, но и открывают путь к пониманию процессов, которые сформировали космос в первые мгновения после Большого взрыва. Даже если окончательный ответ еще не найден, каждое новое наблюдение приближает нас к разгадке одной из величайших тайн физики.