Исследователи из Университета Индианы внесли ключевой вклад в крупное открытие в физике элементарных частиц, приближающее науку к ответу на один из самых фундаментальных вопросов: почему наша Вселенная состоит из материи — звёзд, планет и жизни, — а не оказалась пустой? Прорыв связан с изучением загадочных частиц под названием нейтрино, которые практически не имеют массы и свободно проходят сквозь любую материю, включая наши тела, почти не взаимодействуя с ней.
Это достижение стало возможным благодаря беспрецедентному совместному анализу данных двух ведущих международных экспериментов: американского NOvA и японского T2K. В обоих случаях учёные создают мощные пучки нейтрино с помощью ускорителей частиц и направляют их на огромные подземные расстояния к специальным детекторам. Зафиксировать взаимодействие этих неуловимых частиц невероятно сложно, поэтому для анализа редких сигналов используются передовые технологии и сложное программное обеспечение. Детекторы, такие как Super-Kamiokande, который является частью эксперимента T2K, используют огромные объёмы чистой воды — 50 000 тонн — чтобы увеличить вероятность взаимодействия нейтрино с веществом. Когда нейтрино сталкивается с электроном или ядром в воде, возникает заряженная частица, движущаяся быстрее света в воде. Это порождает черенковское излучение — слабый голубой свет, который регистрируют тысячи фотоумножителей на стенках детектора.
Университет Индианы играет важную роль в этой работе на протяжении десятилетий. Его учёные участвовали в создании детекторных систем, интерпретации данных и подготовке молодых исследователей. Профессор Марк Мессье, заведующий кафедрой физики, руководит проектом с 2006 года. Вместе с другими коллегами из университета они внесли существенный вклад в общий успех.
Главная загадка, которую пытаются решить физики, — это асимметрия материи и антиматерии во Вселенной. Согласно теории Большого взрыва, они должны были образоваться в равных количествах и полностью уничтожить друг друга при встрече. Однако этого не произошло: возник небольшой перевес в пользу обычной материи, что в итоге позволило сформироваться всему, что мы видим. Учёные полагают, что изучение нейтрино может дать ключ к пониманию причин этого дисбаланса. Нарушение фундаментальных симметрий, таких как CP-симметрия, а также симметрий зарядового сопряжения (C) и пространственной чётности (P), является ключевым для объяснения, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии. Это явление, известное как барионная асимметрия, критически важно для нашего понимания эволюции космоса после Большого взрыва.
Новое исследование, опубликованное в журнале Nature, уникально тем, что впервые объединило результаты двух крупнейших нейтринных обсерваторий. NOvA отправляет пучок частиц на 810 километров от Чикаго в Миннесоту, а T2K — на 295 километров к детектору Super-Kamiokande в Японии. Совместный анализ их данных значительно повысил точность измерений и позволил лучше изучить, как нейтрино и их "двойники" из антиматерии (антинейтрино) осциллируют, то есть меняют свои свойства в полёте.
Объединённые данные указывают на возможное различие в поведении нейтрино и антинейтрино, что может означать нарушение так называемой CP-симметрии. Этот принцип предполагает, что материя и антиматерия должны быть зеркальными отражениями друг друга. Если симметрия нарушается, это может стать crucialным недостающим звеном в объяснении, почему материя пережила Большой взрыв. Как отметил профессор Мессье, учёные делают реальный прогресс в решении грандиозного вопроса "почему существует что-то, а не ничто", разбивая его на последовательные шаги.
Источник: Neutrinos could explain why matter survived the Big Bang