Несимметричная Вселенная: исчезновение антивещества объяснит нейтринный эксперимент

Нейтрино пойманы с поличным: частица и соответствующая ей античастица взаимодействуют различными способами, что говорит о нарушении CP-четности. Последняя необходима физикам, чтобы объяснить барионную асимметрию – тот факт, что Вселенная состоит только из вещества, а антивещество в ней отсутствует.

Загадка барионной асимметрии

Согласно Стандартной модели физики частиц, каждой элементарной частице соответствует ее зеркальное отражение – античастица, обладающая такой же массой, но противоположным электрическим зарядом.

Обычное вещество, из которого состоит наша Вселенная, строится из протонов и нейтронов, а также электронов. Протоны и нейтроны в свою очередь состоят из более мелких «кирпичиков», кварков – подобные им составные частицы называют барионами. Из антикварков можно построить аналог античастицы для барионов – антибарионы.

Исходя из законов сохранения заряда, в момент Большого взрыва должно было рождаться одинаковое количество частиц и античастиц – а, следовательно, и образовываться позднее одинаковое число барионов и антибарионов. Однако, экспериментальные данные показывают, что в современной Вселенной антибарионы отсутствуют – эта загадка получила название проблемы генерации барионной асимметрии.

Наглядное объяснение понятия C- и CP-четности. P-преобразование равносильно зеркальному отражению картинки, C-преобразование – инверсии цветов. CP-преобразование – двум операциям одновременно

Возможные пути решения

Есть разные способы объяснения столь странной асимметрии во Вселенной. Самые экзотические модели предполагают возможность того, что антибарионы «упакованы» в компактные объекты, и подобное предположение не противоречит наблюдениям.

Однако, более «стандартные» механизмы предлагают объяснение вследствие наличия новых частиц и процессов, не входящих в рамки Стандартной модели. Все они на самом деле должны соответствовать специальным условиям, называемым также критериями Сахарова – в частности, необходимо нарушение закона сохранения барионного числа, то есть количества барионов и антибарионов в реакциях, нарушение симметрии процессов по отношению к изменению всех частиц на античастицы, а также одновременного с ним зеркального отражения координат. Последние две симметрии в физике называются C- и CP-четностями (от английского «charge» – заряд и «parity» – четность).

Эксперимент Т2К

Нейтрино в эксперименте T2K

Указание на нарушение CP четности во взаимодействиях нейтрино было получено в японском эксперименте T2K. T2K расшифровывается как «Tokai to Kamioka» - пучок нейтрино посылается из источника в ускорительном комплексе J-PARC на расстояние в 295 километров и достигает детектора в нейтринной обсерватории Камиока.

Нейтрино, легчайшие частицы Стандартной модели, бывают трех видов: электронное, мюонное и тау-нейтрино с соответствующими античастицами. Особое поведение, присущее только нейтрино, получило название осцилляций: превращение нейтрино одного типа в другой. Данное явление было предсказано еще в 1957 году; в 2015 году за его экспериментальное открытие Такааки Кадзита и Артур Макдональд были удостоены Нобелевской премии по физике.

Эксперимент T2K показал, что процесс осцилляций мюонных нейтрино и мюонных антинейтрино происходит с разной частотой, и с вероятностью 90% исключил сохранение CP-симметрии. Однако для подтверждения ее нарушения точности оказалось недостаточно.

Эксперимент DUNE

Новые горизонты: DUNE

В США строится новый амбициозный проект DUNE – Deep Underground Neutrino Experiment – глубокий подземный нейтринный эксперимент, начало работы которого запланировано на 2026 год.

В качестве «исходного материала» будет использоваться пучок протонов энергиями от 60 до 120 гигаэлектронвольт, рождаемый в Национальной исследовательской лаборатории имени Э. Ферми, расположенный в штате Иллинойс.

Затем на следующем этапе, в установке LBNF – Long-Baseline Neutrino Facility – нейтринная установка с длинной базой, в результате взаимодействия протонов с мишенью будут образовываться пионы, частицы, которые рождают мюонное нейтрино и антинейтрино. Сфокусированный пучок нейтрино здесь же будет проходить через ближний детектор, который позволит определять его параметры для дальнейшей интерпретации.

Конец пути отстоит на 1300 километров от источника и будет находиться в Южной Дакоте, где расположен центр SURF – Sanford Underground Research Facility – Сэнфордская подземная лаборатория. Здесь будет построен передовой детектор нейтрино на жидком аргоне.

Прототип детектора для DUNE

Узнаем ли мы, куда исчезли антибарионы?

По предварительным подсчетам, набрав статистику событий за семь лет, DUNE сможет с беспрецедентной достоверностью определить, как именно нарушается – если нарушение имеет место – CP-четность в взаимодействиях нейтрино. Эти данные могут дать указание на то, при помощи какого именно механизма генерируется барионная асимметрия во Вселенной.

Помимо этого, в научную программу эксперимента входят другие, не менее важные задачи: изучение масс нейтрино и их иерархии, исследование каналов распада протона, которые предсказываются теориями Великого объединения, а также определение свойств сверхновых звезд по испускаемым ими потокам нейтрино.