Разгадана тайна процесса, спасшего Вселенную от неминуемой гибели?

11 тысяч фотодетекторов фиксируют редкие реакции прибывающих нейтрино с частицами воды.

11 тысяч фотодетекторов фиксируют редкие реакции прибывающих нейтрино с частицами воды.
Фото Kamioka Observatory, Institute for Cosmic Ray Research, The University of Tokyo.

Детектор зафиксировал некоторый избыток электронных нейтрино по сравнению с электронными антинейтрино.

Детектор зафиксировал некоторый избыток электронных нейтрино по сравнению с электронными антинейтрино.
Иллюстрация T2K.

11 тысяч фотодетекторов фиксируют редкие реакции прибывающих нейтрино с частицами воды.
Детектор зафиксировал некоторый избыток электронных нейтрино по сравнению с электронными антинейтрино.

Физики открыли явление, которое может стать ответом на вопрос, почему наш мир всё ещё существует. Речь идёт о нарушении симметрии между веществом и антивеществом, которое позволило материи избежать самоуничтожения сразу же после Большого взрыва. Поясним: учёные обнаружили, что эта симметрия нарушается при превращениях нейтрино.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали о том, что такое CP-симметрия и почему она так интересует исследователей. Напомним об этом в двух словах.

CP-симметрия означает, что свойства частиц станут полностью аналогичны свойствам античастиц, если вдобавок заменить право на лево (то есть зеркально отразить всю систему). В CP-симметричном мире вещество и антивещество взаимно уничтожились бы сразу после Большого взрыва. Между тем материя, из которой состоим мы и все окружающие объекты, к нашему всеобщему удовольствию, всё ещё существует. Это значит, что имел место какой-то "спасший" её процесс, нарушивший CP-симметрию.

Напомним, что все частицы делятся на два больших класса: адроны и лептоны. К первым относятся, например, протоны и нейтроны, а ко вторым – электроны и нейтрино.

Физики давно знают, что некоторые адроны (в частности, мезоны) нарушают CP-симметрию. Но зафиксированное нарушение слишком мало, чтобы оно могло некогда спасти Вселенную.

И вот впервые учёные обнаружили в эксперименте нарушение CP-симметрии лептонами, а именно нейтрино. Возможно, это именно тот процесс, который так долго искали исследователи.

Детектор зафиксировал некоторый избыток электронных нейтрино по сравнению с электронными антинейтрино.

Результат был получен коллаборацией T2K, или Tokai to Kamioka. В рамках этого эксперимента источник нейтрино (и антинейтрино) в Токае отправляет частицы на детектор в Камиоке. Излучатель и приёмник разделены максимальной дистанцией, которая возможна на японском острове Хонсю: 295 километров.

Столь впечатляющее расстояние нужно, чтобы нейтрино успевали испытывать превращение. Дело в том, что эти частицы бывают трёх типов: электронное, мюонное и тау-нейтрино. Со временем нейтрино может сменить тип, превратившись, например, из мюонного в электронное.

На те же типы делятся и антинейтрино. И, если нейтрино и их античастицы сохраняют CP-симметрию, то для последних должны быть характерны точно такие же превращения. А может быть, они всё-таки не точно такие же? Именно этот вопрос должен был помочь прояснить эксперимент.

Обработав данные за 2009–2018 годы и присовокупив к ним результаты предыдущих исследований своих коллег, физики пришли к интригующему выводу. Они заключили, что вероятность превращения из мюонного в электронное несколько выше для нейтрино, недели для антинейтрино. А это, напомним, означает первое в истории физики нарушение CP-симметрии лептонами и возможный ключ к существованию Вселенной в нынешнем виде.

Достоверность полученного результата составляет три сигмы. Это означает, что с вероятностью 99,7% он не является случайной комбинацией шумов.

Однако в физике частиц принят более жёсткий стандарт достоверности: пять сигм. То есть вероятность того, что результат получился из-за неудачного наложения шумов, должна составлять менее 0,00001%. Чтобы обеспечить такую точность, нужны более мощные источники и более масштабные детекторы нейтрино и антинейтрино. Такие характеристики будут иметь установки T2HK в Японии и DUNE в США, к строительству которых планируется приступить в ближайшие годы.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о том, как физики подвели итоги многолетнего поиска редких превращений нейтрино. Рассказывали мы и том, как с разгадкой тайны победы материи над антиматерией учёным могут помочь гравитационные волны.