Ми, можливо, стали на крок ближче до розгадки однієї з найбільших та найважливіших загадок Всесвіту. Але потрібно більше даних, щоб отримати точну відповідь.

Науковці вважають, що після появи Всесвіту майже 14 мільярдів років тому в ньому було порівну речовини та її химерного аналогу, антиматерії. Частинки антиматерії мають ту саму масу, що й їхні «звичайні брати», але протилежний електричний заряд. Мабуть, найвідоміший такий дует — електрон (нормальна частинка з негативним зарядом) і позитрон (антиматерія з позитивним зарядом).

Коли частинки речовини та антиматерії стикаються, вони взаємознищуються з ідеальною ефективністю, перетворюючись у 100 відсотків енергії. (Це пояснює факт, чому письменники-фантасти люблять ставити на свої зоряні кораблі двигуни, що працюють на антиматерії.)

І в цьому криється таємниця: якби після народження Всесвіту була однакова кількість частинок і античастинок, то всі вони мали взаємознищитися й у космосі не було б жодної частинки. Але цього, очевидно, не відбулося — на це чітко вказує існування кожного з нас. Зрештою, це уможливив невеликий надлишок речовини над антиматерією — лише одна частинка на мільярд пар частинок матерія — антиматерія.

Фізики протягом багатьох років шукали пояснення щодо цієї таємниці надлишку матерії. Наприклад, у 1960-х роках вони з’ясували, що кварки та антикварки не ведуть себе абсолютно однаково. Але це порушення симетрії зарядового спряження та парності (charge-conjugation parity-reversal symmetry) або, якщо коротко, CP-симетрії, не було достатньо істотним, щоб пояснити невідповідність балансу речовина — антиматерія.

Однак може бути різний тип порушення симетрії. Зрештою, кварки — будівельні блоки протонів та нейтронів — не єдині субатомні частинки. У них є «родичі», яких називають лептонами — сімейство, до якого належать електрони, мюони, тау-лептони і нейтрино. (Кварки та лептони, в свою чергу, — це ферміони, одна з двох основних категорій субатомних частинок. Іншою категорією є бозони, до яких належать частинки, що переносять фундаментальні взаємодії, такі як фотон, глюон, бозон Гіґґса та ще не відкритий гравітон.)

Науковці, які виконували нове дослідження уважно шукали ознаки порушення СР-симетрії у нейтрино й отримали деякі цікаві результати. Більшість даних отримали виконавці проєкту T2K (Tokai to Kamioka), які вивчають нейтрино чи антинейтрино (залежно від експериментальної установки) в Японському дослідному комплексі прискорювачів протонів у місті Токай.

Основна частина детектора нейтрино в обсерваторії Каміока — резервуар, наповнений дуже чистою водою. Фото з сайту www.asianscientist.com.

Переважна більшість частинок проникає крізь Землю, наче нашої планети й не існує. (Не дивно, що нейтрино називають «частинка-привид».) Але декілька потрапляє у підземний детектор в обсерваторії Каміока, що міститься на відстані 295 кілометрів від Токай. Цей детектор — це резервуар, наповнений 55 000 тонн дуже чистої води. Коли нейтрино взаємодіє з нейтроном в резервуарі, може утворюватися мюон або електрон. І чутлива апаратура реєструє ці вторинні частинки.

Завдяки таким виявленням науковці отримують багато інформації. Наприклад, коли нейтрино рухаються у просторі, вони осцилюють (видозмінюються) між трьома різними «ароматами»: нейтрино електронне, мюонне і тау-лептонне. (Так, назви ароматів вносять додаткову плутанину, враховуючи, що електрон, мюон і тау також є найменуваннями для різних частинок. Але фізика частинок заплутана!) І тип аромату визначає, яка вторинна частинка утворюється під час зіткнення з нейтроном.

Науковці T2K проаналізувала дані, зібрані у процесі виконання проєкту з 2009 по 2018 рік, а також результати спостережень, отримані в аналогічних експериментах. У статті, оприлюдненій журналом Nature 15 квітня поточного року, дослідники повідомляють: їм вдалося знайти докази того, що нейтрино та антинейтрино осцилюють по-різному.

«Результати не підтверджують збереження CP-симетрії (тобто вони вказують на те, що є порушення CP-симетрії) з упевненістю до 95% і показують, що величина порушення CP-симетрії, ймовірно, буде великою», — написали в супровідній статті (News & Views) у тому ж випуску Nature фізики Сільвія Пасколі (Silvia Pascoli) та Джессіка Тернер (Jessica Turner) — відповідно з Даремського університету (Великобританія) та Національної лабораторії прискорень мені Фермі (Фермілаб) Міністерства енергетики США.

«Ці результати можуть стати першими вказівками на походження речовини — асиметрію антиматерії у нашому всесвіті», — додали Пасколі та Тернер, які не брали участь в нових дослідженнях.

Але все-таки: ці результати не є переконливою демонстрацією порушення СР-симетрії між нейтрино та антинейтрино. «Ми бачимо певні ознаки», — сказав головний автор дослідження Ацуко К. Ічікава (Atsuko K. Ichikawa) з Кіотського університету в Японії. «Цей результат є важливим кроком у спостереженнях за порушенням CP-симетрії».

Наступний крок вимагатиме більше даних, підкреслив Ічікава. Але на цьому фронті є хороші новини: деякі детектори нейтрино наступного покоління вже працюють. Наприклад, японський T2HK, що схожий на T2K, але більш потужний, офіційно став до ладу в лютому, зазначили Пасколі й Тернер. А в середині 2020-х має стартувати експеримент з глибокої підземної реєстрації нейтрино (Deep Underground Neutrino Experiment, DUNE), що буде використовувати пучок нейтрино, отриманий у Фермілаб та детектор як в самій лабораторії, так і в Південній Дакоті.

T2HK і DUNE «взаємодоповнять як техніку, так і вимірювання», — написали Пасколі та Тернер. «Вони, ймовірно, дозволять нам у найближчі 15 років отримати остаточну відповідь щодо порушення CP-симетрії».

За інф. з сайту www.space.com