Антивещество, темная материя и новая физика

Как открытие массы нейтрино может объяснить существование Вселенной

Самая главная загадка, на которую пытаются найти ответ физики, исследующие нейтрино, — почему во Вселенной есть материя и почти нет антиматерии. Иллюстрация: pixelparticle/Shutterstock

Недавно физики получили уже вторую престижную премию за открытие массы нейтрино (первой была Нобелевка). Как это открытие поможет объяснить, почему во Вселенной есть материя и почти нет антиматерии, «Чердаку» рассказал завотделом физики высоких энергий Института ядерных исследований (ИЯИ) РАН Юрий Куденко.

Нейтрино делятся на три типа: электронные, мюонные и тау-нейтрино; эти типы способны «превращаться» друг в друга — осциллировать. Артур Макдональд и Такааки Кадзита в 2015 году удостоились Нобелевской премии по физике как раз «за доказательство нейтринных осцилляций и того факта, что у нейтрино есть масса», поскольку существование осцилляций возможно, только если эти частицы не безмассовые, как долго считалось.

В начале ноября 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, в том числе сотрудники ИЯИ РАН.

— Чем так интересны нейтринные осцилляции, что за них дают самые престижные научные премии?

— Есть загадочная вещь — барионная асимметрия Вселенной. Мы живем в мире, состоящем из материи, и в нем практически нет антиматерии. Так получилось потому, что в момент Большого взрыва по какой-то причине вещества оказалось чуть больше, чем антивещества. Вещество аннигилировало с антивеществом, а из остатков образовалась Вселенная. Почему так, мы не понимаем, и Стандартная модель, теория, которая описывает все известные элементарные частицы, ответов не дает.

Еще один момент — темная материя. Большую часть массы Вселенной составляет темная материя, но из чего она состоит, мы также не знаем. Известные нам частицы и их свойства не позволяют ее описать.

Изображение, составленное из снимков телескопа «Хаббл», показывает кольцо темной материи в галактическом скоплении Cl 0024+17. Напрямую увидеть темную материю нельзя, но ее гравитация искажает свет находящихся за ней галактик, и поэтому ее можно обнаружить


Ключевой момент исследований, за которые дали премии, в том, что наличие нейтринных осцилляций противоречит постулатам Стандартной модели. Таким образом, открытие осцилляций нейтрино фактически есть открытие новой физики, которая выходит за рамки Стандартной модели. Это серьезный прорыв в физике элементарных частиц.

В Стандартную модель не укладывается существование массы нейтрино. Чтобы ее объяснить, ученые придумывают разные механизмы. Один из самых популярных в настоящее время — «механизм качелей» — пытается объяснить массу нейтрино существованием других, тяжелых, видов нейтрино, которые, возможно, существовали на ранних стадиях развития Вселенной, и именно из-за асимметрии в их распадах образовалась барионная асимметрия.

Еще любопытно, что нейтрино обладают очень маленькой массой. Точно мы ее не знаем, но она не превышает 2 электронвольт. Это ограничение получено у нас в Институте ядерных исследований. Скорее всего, масса еще меньше — менее 0,1 электронвольта. Для сравнения: масса протона — 1 гигаэлектронвольт. Разница составляет более 10 порядков.

— Но за открытие массы нейтрино в этом году уже была присуждена Нобелевка, почему комитет еще одной крупной премии решил снова отметить это открытие?

— Нобелевская премия была вручена руководителям двух крупных коллабораций, которые внесли большой вклад в открытие нейтринных осцилляций. Так, на установке Super-Kamiokande в Японии были открыты осцилляции атмосферных нейтрино, а SNO в Канаде позволила сделать окончательные выводы об осцилляциях солнечных нейтрино. Но в этих экспериментах работают сотни людей.

Кроме того, комитет премии Breakthrough Prize решил отметить еще три эксперимента, которые сыграли важную роль в построении общей картины осцилляций, а именно K2K/T2K и KamLAND в Японии и Daya Bay в Китае. На этих установках исследователи провели, во-первых, независимые точные измерения осциляционных параметров и подтвердили результаты Super-Kamiokande и SNO, а кроме того, экспериментам T2K и Daya Bay удалось измерить неизвестный ранее третий угол смешивания нейтрино, который важен для понимания всей картины. Нейтрино могут переходить в другой тип не полностью, из-за чего получается смешанный тип, величина «примеси» определяется параметром, называемым углом смешивания.

Нейтринный эксперимент Daya Bay. Фото: Brookhaven National Laboratory/Flickr


Также в эксперименте T2K был впервые открыт эффект появления одного типа нейтрино в пучке другого типа. До этого все эксперименты исследовали лишь исчезновение определенных типов нейтрино при переходе их в другие типы. А благодаря T2K были открыты осцилляции мюонных нейтрино в электронные.

— В каких экспериментах принимаете участие вы и ваши российские коллеги?

— Группа из Института ядерных исследований участвует в экспериментах K2K и T2K, группа из Объединенного института ядерных исследований, который находится в Дубне, — в Daya Bay и, возможно, еще в каких-то экспериментах.

— Чем конкретно занимается ваша группа?

— K2K — это был первый ускорительный эксперимент с длинной базой, то есть такой, в котором пучки нейтрино пролетают расстояние в сотни километров от ускорителя до детектора. Он проводился в Японии и использовал пучок нейтрино из Национальной лаборатории высоких энергий (КЕК) в Цукуба, который детектировался на установке Super-Kamiokande, расположенной на расстоянии 250 км от КЕК. Детектор Super-Kamiokande одновременно ведет самостоятельные исследования атмосферных и солнечных нейтрино, ищет распад протона и в то же время является частью ускорительных экспериментов, выполняя функции дальнего детектора нейтрино. В эксперименте Т2К используется интенсивный нейтринный пучок из нового ускорительного комплекса J-PARC в городе Токай, примерно посередине между Токио и известной АЭС Фукусима-1. Нейтрино путешествуют в Земле с одного побережья Японии до другого 295 км и регистрируются в детекторе Super-Kamiokande.

Ускоритель J-PARC LINAC. Фото: @yb_woodstock/Flickr


В эксперименте Т2К наша группа вместе с коллегами из многих других стран занималась так называемым «ближним» детектором, который расположен вблизи нейтринного канала на территории J-PARC. Этот детектор измеряет параметры нейтринного пучка до осцилляций, что необходимо для точных измерений осцилляционных параметров. Мы делали так называемый детектор мюонов высоких энергий. Он полностью был разработан и сделан в России, в Институте ядерных исследований, и затем перевезен в Японию.

В 2005 году K2K подтвердил результаты Super-Kamiokande. Затем возник вопрос, почему мюонные нейтрино переходят в тау-нейтрино, но не переходят в электронные. Для поиска таких переходов в начале 2000-х был предложен эксперимент T2K, который является вторым поколением экспериментов с длинной базой и использовал многие идеи и разработки K2K.

В 2011 году в Т2К мы смогли зарегистрировать превращения мюонных нейтрино в электронные и получили указание на ненулевое значение угла смешивания между первым и третьим массовыми состояниями нейтрино. Буквально через год три эксперимента: DoubleChooz во Франции, Daya Bay в Китае и RENO в Корее — подтвердили наш результат и измерили этот параметр смешивания более точно.

После этого ландшафт нейтринной физики стал резко меняться, потому что этот результат позволил открыть уникальную перспективу для новых осцилляционных экспериментов, основной целью которых является поиск нарушения комбинированной четности в нейтринных осцилляциях.

— Что это такое?

— Представьте, что вы какая-нибудь частица, например электрон. Затем, вы решаете стать античастицей и при этом перейти в «зазеркалье», мир, где все процессы те же самые, но с пространственной точки зрения зеркально отражены. Если комбинированная четность (СР-четность) сохраняется, то все физические законы и процессы нашего мира в зеркальном мире для позитрона те же самые, что и для электрона в нашем мире. То есть переход будет незаметен.

В электромагнитных взаимодействиях и в сильных взаимодействиях все происходит именно так. Отличие удалось обнаружить лишь в слабых взаимодействиях. Если бы масса нейтрино была равна нулю, комбинированная четность должна была бы сохраняться для него и в нейтринных осцилляциях. Но масса нейтрино не равна нулю, и мы не знаем, как поведет себя эта частица с точки зрения сохранения комбинированной четности.

Если СР-четность сохраняется, то нам надо искать другие ответы для объяснения преобладания мира над антимиром. А если нарушается, то, возможно, на этом пути мы найдем отгадку и поймем, как образовалась и почему существует Вселенная.

Так вот, теперь новые эксперименты — продолжающийся T2K, недавно начавшийся NOvA и готовящийся DUNE в США, а также проект Hyper-Kamiokande в Японии — как раз нацелены, главным образом, на поиск нарушения СР-четности в нейтринных осцилляциях или, другими словами, в лептонном секторе Стандартной модели.

Буквально год назад мы в эксперименте T2K уже увидели намек на CP-нарушение. Если это подтвердится, то мы уже второй раз поймаем удачу за хвост! Если удастся в конечном итоге открыть этот эффект, то, возможно, мы действительно сможем объяснить отсутствие антимира.

— Что придет на смену Стандартной модели?

— Нельзя сказать, что наши результаты ее отменяют. Так же, как и механика Ньютона, например, она будет прекрасно работать. Посмотрите, самолеты летают, поезда ходят, яблоки падают. Но когда вы переходите к околосветовым скоростям или масштабам микромира, ситуация становится другой. Так и здесь, для Стандартной модели потребуются расширения, но она будет прекрасно работать в своей сфере.
Теги:

Читать еще на Чердаке: