Один из больших вопросов современной науки заключается в том, почему вещества во Вселенной оказалось больше, чем антивещества. Существующая доминирующая теория возникновения Вселенной подразумевает, что изначально вещества и антивещества появилось равное количество. Частицы антивещества имеют ту же массу и свойства, что их «вещественные братья», но противоположный заряд.
Например, «материальному» электрону соответствует «антиматериальный» позитрон. Когда частицы вещества и антивещества сталкиваются, происходит их взаимная аннигиляция. И с этим связан парадокс. Если при рождении Вселенной было одинаковое количество частиц вещества и антивещества, то все они должны были тут же уничтожить друг друга. Но этого не произошло, на что указывает наш «вещественный» мир. Даже небольшого превышения количества вещества над антивеществом (частица на миллиард пар) достаточно для существования наблюдаемого нами мира.
Физики давно собирают некоторые подсказки, способные приоткрыть завесу тайны. Например, еще в 1960-х годах выяснили, что кварки и антикварки ведут себя по-разному, не зеркально. Но этого нарушения так называемой СР-симметрии оказалось недостаточно, чтобы объяснить преобладание вещества над антивеществом.
Однако удалось обнаружить, что не только кварки способны нарушать симметрию. Кварки представляют собой строительные блоки протонов и нейтронов, но это не единственные субатомные частицы. Их «родственники» - лептоны, которые включают в себя электроны, мюоны, тау-частицы и нейтрино. Кварки и лептоны в свою очередь относятся к фермионам, одной из двух основных категорий субатомных частиц. Другая категория – бозоны, такие как фотон, глюон и бозон Хиггса, например.
Новое исследование, проведенное учеными из международного проекта Т2К, показало признаки нарушений СР-симметрии у нейтрино и антинейтрино. В рамках эксперимента на специальной установке в японском Токаи генерировались пучки нейтрино и антинейтрино. Они улавливали эти частицы детектором, который расположен в Камиоке, в 295 км от Токаи. Когда нейтрино взаимодействуют в резервуаре детектора с нейтронами, можно получить мюон или электрон.
Чувствительное оборудование детектора улавливает эти вторичные частицы. Данные, собранные большим массивом, дают ценную информацию о том, как осциллируют нейтрино и антинейтрино. В процессе путешествия они колеблются в разные «сорта», которые называют «ароматами» по подобию с другими лептонами: мюонами, электронами и тау-частицами. Исследование показало, что нейтрино колеблется гораздо чаще, чем антинейтрино.
Ученые из проекта Т2К проанализировали данные, собранные в период с 2009 по 2018 год. И обнаружили, что нейтрино и антинейтрино имеют разные, незеркальные колебания. Таким образом, этот признак дает указание на нарушение СР-симметрии с достоверностью 95 процентов.
Эти данные могут использоваться в дальнейшем для объяснения расхождения количества вещества и антивещества во Вселенной, а значит, решить один из фундаментальных вопросов современной физики. При этом авторы исследования осторожны в своих оценках и говорят лишь о признаках нарушения СР-симметрии. Ее нужно подтвердить дополнительно, с большим набором данных. В Японии в том числе для этого эксперимента организуется более масштабный проект Т2НК, а в США разрабатывается аналогичный мощный эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Они должны дать окончательный ответ в загадке с поиском нарушения СР-симметрии.