Несимметричные нейтрино

Эксперименты с нейтрино могут объяснить преобладание материи во Вселенной

Магниты ускорителя J-PARC, собирающие нейтрино в пучок. Фото: Patrick Dep / Flickr

Ученым удалось обнаружить намек на нарушение СР-симметрии при экспериментах с нейтрино. Возможно, эти результаты позволят объяснить, почему во Вселенной есть вещество и почти нет антивещества. Об этом «Чердаку» рассказал завотделом физики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Юрий Куденко.

Нейтрино — элементарная частица, которая отвечает за одно из четырех фундаментальных взаимодействий, а именно за слабое взаимодействие, которое лежит в основе радиоактивных распадов. Обнаружить нейтрино крайне сложно, хотя поток частиц, которые рождаются при ядерных реакциях на далеких звездах, на Солнце, в атмосфере Земли и ее недрах, постоянно пронизывает все на Земле.

Нейтрино проходят через любое вещество, практически не взаимодействуя с ним. Для детектирования нейтрино используются огромные резервуары со сверхчистой водой и множеством детекторов, способных зарегистрировать слабые вспышки света, которые происходят, когда из миллиардов проходящих через детектор нейтрино хотя бы несколько все-таки взаимодействуют с молекулами воды. Так устроен, например, детектор нейтрино Super-Kamiokande в Японии.

Существуют три типа активных нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В 1957 году работавший в Дубне итальянский и советский физик Бруно Понтекорво предсказал, что нейтрино разных типов могут переходить друг в друга — этот процесс называется осцилляциями элементарных частиц. Однако в случае нейтрино существование осцилляций возможно, только если эти частицы имеют массу, а с момента их открытия физики считали, что нейтрино — безмассовые частицы. За «доказательство нейтринных осцилляций и того факта, что у нейтрино есть масса» в прошлом году была вручена Нобелевская премия по физике. В том же году, чуть позже, комитет Breakthrough Prize также присудил премию по физике за нейтринные осцилляции, только уже гораздо большему числу исследователей. Ее получили более 1300 человек, задействованных в пяти экспериментах по всему миру.

Регистрация электронного нейтрино в детекторе Super-Kamiokande
Регистрация электронного нейтрино в детекторе Super-Kamiokande. Фотография предоставлена Юрием Куденко


Одним из этих экспериментов стал T2K в Японии, в работе которого участвуют сотрудники Института ядерных исследований РАН. В эксперименте Т2К используются частицы, полученные на ускорителе J-PARC в городе Токай, примерно посередине между Токио и АЭС «Фукусима-1». Нейтрино и антинейтрино образуются на ускорителе в результате распадов пионов и каонов, рожденных при столкновении протонов с охлаждаемой графитовой мишенью. Система магнитов позволяет сфокусировать пионы и сформировать интенсивный пучок нейтрино, направленный сквозь землю с одного побережья Японии до другого, где они регистрируются в детекторе Super-Kamiokande.

Новые результаты Т2К указывают на нарушение зарядово-пространственной симметрии (СР-симметрии) при нейтринных осцилляциях. При сохранении СР-симметрии все физические процессы должны происходить одинаково при замене частицы на античастицу и всех пространственных координат процесса — на зеркальные. Анализ данных за 2015 и 2016 годы позволил обнаружить 32 случая регистрации электронных нейтрино и четыре — электронных антинейтрино, в то время как ученые ожидали получить 27 нейтрино и семь антинейтрино при сохранении СР-симметрии.

«Мы видим, что мюонные нейтрино переходят в электронные нейтрино даже с большей вероятностью, чем ожидалось, а мюонные антинейтрино в электронные антинейтрино — с меньшей. Разность между этими вероятностями с учетом всех погрешностей и неопределенностей объясняется тем, что нарушается СР-симметрия. Но если вы спросите меня, почему она нарушается, ответа у меня пока нет. Нейтринная физика — это одна из немногих известных мне областей науки, где эксперимент опережает теорию», — сказал Куденко.

Советский физик Андрей Сахаров теоретически доказал, что СР-симметрия должна была нарушаться в ранней Вселенной для того, чтобы материя преобладала над антиматерией (это называется барионной асимметрией) и наш мир мог существовать. «Мы уже знаем, что она нарушается в так называемом кварковом секторе — в распадах каонов и В-мезонов. Однако этого недостаточно для объяснения барионной асимметрии. В этом секторе элементарных частиц работают в основном на Большом адронном коллайдере. Относительно недавно появилась гипотеза, согласно которой барионную асимметрию Вселенной можно объяснить, если СР-симметрия нарушается в лептонном секторе, а нейтрино как раз относятся к лептонам», — пояснил Куденко.

До сих пор случаев нарушения СР-симметрии в лептонном секторе не наблюдалось, но экспериментаторы осторожны в своих выводах. «То СР-нарушение, которое мы обнаружили в нейтринных осцилляциях, очень трудно связать с тем СР-нарушением, которое было в ранней Вселенной. Ряд моделей говорит, что есть такая связь, а другие говорят, что нет», — отметил физик. Кроме того, Куденко отметил, что уверенность в новых результатах T2K не 100%, хотя и большая — 95%. Для того чтобы подтвердить эти результаты, потребуется еще пять-шесть лет работы.

«Пока что это указание на возможное открытие, хотя и очень серьезное. Первый результат, послабее, мы опубликовали около двух лет назад, и после этого свои данные проанализировали еще два эксперимента — Super-Kamiokande и NOvA в Америке. Они тоже подтвердили наш результат. Теперь нужно подождать подтверждения наших новых, более сильных результатов. Я настроен оптимистично, но нужно быть осторожным», — сказал он.
Теги:

Читать еще на Чердаке: