Обновлённые результаты японского эксперимента с нейтрино продолжают раскрывать подробности несоответствия в поведении материи и антиматерии

Нейтрино, проходящие через установку Супер-Камиоканде создают информативное цветовое распределение на стенках детектора

Если смотреть сверху, то можно перепутать дыру в земле с огромной шахтой лифта. Но на самом деле она ведёт к эксперименту, который может ответить на вопрос, почему материя не исчезла, превратившись в облако излучения вскоре после Большого взрыва.

Я нахожусь в Японском исследовательском комплексе протонного ускорителя (Japan Proton Accelerator Research Complex, J-PARC) – удалённом и хорошо охраняемом правительственном учреждении в Токай, примерно в часе езды на поезде на север от Токио. Идущий здесь эксперимент T2K (Tokai-to-Kamioka) производит луч субатомных частиц, нейтрино. Луч проходит через 295 км камня к детектору Супер-Камиоканде, гигантской яме, зарытой на глубине 1 км под землёй и заполненной 50 000 тонн сверхчистой воды. Во время путешествия некоторые нейтрино меняют «сорт» с одного на другой.

Эксперимент идёт и сегодня, а его первые результаты были обнародованы в прошлом году. Учёные на T2K изучают то, как нейтрино меняют сорт, пытаясь объяснить преобладание материи над антиматерией во Вселенной. Во время моего посещения физики объясняли мне, что они обрабатывают новые данные, полученные за последний год, и результаты получаются многообещающими.

Согласно Стандартной Модели физики частиц, у каждой частицы есть её зеркальный партнёр, переносящий противоположный электрический заряд – частица антиматерии. Когда частицы материи и антиматерии сталкиваются, они аннигилируют во вспышке излучения. Однако учёные считают, что во время Большого взрыва должно было появиться равное количество материи и антиматерии, что означало бы, что всё должно было довольно быстро исчезнуть. Но оно не исчезло. Небольшая доля изначальной материи выжила и сформировала известную нам Вселенную.

Исследователи не знают, почему так произошло. «Должны существовать какие-то реакции частиц, по-разному происходящие у материи и антиматерии», — говорит Морган Васко, физик из Имперского колледжа в Лондоне. К примеру, антиматерия может распадаться отличным от материи способом. Если так, это нарушило бы идею CP-инвариантности, постулирующую, что законы физике не должны меняться, если мы заменим частицы материи на античастицы (симметрия относительно заряда) и отобразим их зеркально (симметрия чётности). Симметрия выполняется для большинства частиц, но не для всех. Субатомные частицы кварки нарушают CP-симметрию, но отклонения так малы, что их недостаточно для объяснения того, почему материя так сильно преобладает над антиматерией во Вселенной.

В прошлом году коллаборация T2K объявила о получении первых свидетельств того, что нейтрино могут нарушать CP-инвариантность, что потенциально может объяснить то, почему Вселенная заполнена материей. «Если в области нейтрино наблюдается нарушение CP-инвариантности, это легко может объяснить разницу между материей и антиматерией», — сказал Адриан Биван, специалист по физике частиц из Лондонского университета королевы Марии.

Исследователи ищут нарушения CP-инвариантности, изучая разницу в поведении материи и антиматерии. В случае с нейтрино учёные с T2K изучают, как нейтрино и антинейтрино осциллируют, то есть, меняются, по пути к датчику Супер-К. В 2016 году 32 мюонных нейтрино поменялись на электронные по пути к Супер-К. А когда исследователи отправили туда мюонные антинейтрино, только четыре из них стали электронными.

Полученные результаты всколыхнули сообщество – хотя большая часть физиков не преминула указать, что с такой небольшой выборкой существовала 10% вероятность того, что это разница была результатом случайной флуктуации (для сравнения, при открытии бозона Хиггса в 2012 году вероятность случайности сигнала составляла одну миллионную).

В этом году исследователи собрали почти в два раза больше данных по нейтрино, чем в прошлом. Супер-К поймала 89 электронных нейтрино, и это число сильно превышает порог в 67 частиц, которые должны были появиться в случае отсутствия нарушения CP-инвариантности. Также эксперимент обнаружил всего семь электронных антинейтрино, на два меньше, чем ожидалось.



Пока исследователи не объявляют об открытии. Из-за не очень большого количества данных «всё ещё существует 1 шанс из 20 на то, что это статистическое отклонение, а не нарушение СР-инвариантности», — говорит Филипп Личфилд, физик из Имперского колледжа в Лондоне. Чтобы результаты стали реально значимыми, добавляет это, эксперимент должен дойти до 3 шансов из 1000, и этот рубеж исследователи надеются преодолеть к середине 2020-х.

Но улучшения данных, сделанные в прошлом году, пусть и скромные, всё же идут «в очень интересном направлении», сказал Том Браудер, физик из Гавайского университета. Намёки на новую физику пока ещё не исчезли, как можно было бы ожидать, если бы полученные результаты списали бы на случай. Также к ним добавляются результаты и другого эксперимента, NOvA, проводимого в Национальной ускорительной лаборатории Ферми в пригороде Чикаго. В прошлом году он выпустил первый набор данных по нейтрино, а результаты по антинейтрино ожидаются уже следующим летом. И хотя эти, первые результаты по нарушению СР-инвариантности тоже не будут статистически значимыми, но, если результаты экспериментов NOvA и T2K совпадут, то «согласованность всех этих ранних намёков» станет весьма интригующей, говорит Марк Месье, физик из Университета Индианы.

Планируемое обновление детектора Супер-К может подстегнуть исследования. Следующим летом из детектора впервые за десятилетие откачают воду, а затем снова заполнят сверхчистой водой. Она будет смешана с сульфатом гадолиния, такой солью, которая должна ощутимо повысить чувствительность прибора к электронным антинейтрино. «Подмешивание гадолиния сделает обнаружение взаимодействий электронных антинейтрино весьма лёгкой задачей», — сказал Броудер. Соль поможет исследователям отделать взаимодействия антинейтрино от взаимодействий нейтрино, что повысит их возможности в поиске нарушений СР-инвариантности.

«Пока что мы готовы поспорить, что СР-инвариантность нарушается в случае нейтрино, но не удивимся, если это не так», — сказал Андре де Гувеа, физик из Северо-восточного университета. Васко чуть более оптимистичен: «Результаты по T2K 2017 года пока ещё не прояснили наше понимание нарушения СР-инвариантности, но обещают увеличить точность его измерения в будущем, — сказал он. – И, возможно, будущее уже не так далеко, как мы могли думать в прошлом году».