Два найбільші нейтринні експерименти світу вперше поєднали результати своїх спостережень. Це дозволило отримати найточніші вимірювання поведінки нейтрино – загадкових частинок, від яких може залежати відповідь на одне з фундаментальних питань космології: чому після народження Всесвіту матерія не зникла разом з антиматерією.
Спільний аналіз японського T2K і американського NOvA відкриває нові можливості для вивчення осциляцій нейтрино та може стати ключем до розуміння дисбалансу, що дав початок планетам, зіркам і життю.
Нейтрино як можливий «порушник рівноваги»
Загальноприйнята фізична модель стверджує, що у перші миті після Великого вибуху матерія та антиматерія мали утворитися в рівних частках. Цього було б достатньо, щоб вони повністю знищили одна одну. Проте цього не сталося – матерія домінує, і саме тому існує спостережуваний Всесвіт.
Фізики підозрюють, що розгадка криється в нейтрино – частинках, які майже не взаємодіють із речовиною, мають дуже малу масу та здатні змінювати свій тип під час руху. Цей процес називається нейтринною осциляцією і вже багато років залишається предметом інтенсивних досліджень.
Як вдалося досягти прориву?
Нейтрино фіксувати надзвичайно складно. Науковий співробітник з Мічиганського університету Джозеф Волш пояснює, що крізь тіло людини щосекунди пролітають сотні трильйонів частинок, зовсім його не зачіпаючи. Саме тому для їх виявлення потрібні гігантські детектори та потужні джерела частинок.
Експерименти T2K і NOvA працюють за схожою схемою: вони створюють пучок нейтрино, фіксують його на одному детекторі біля джерела, а інший розміщують за сотні кілометрів. Порівняння даних дозволяє побачити, як частинки змінили свої властивості під час подорожі.
Однак справжній прорив став можливим лише після об’єднання баз даних обох проєктів. За словами професорки Кендалл Ман, спільний аналіз двох установок, що працюють у різних енергетичних діапазонах і за різних відстаней, дав рівень точності, недосяжний для них окремо.
Що саме тепер можуть дізнатися вчені?
Одне з головних завдань дослідження – встановити ієрархію мас нейтрино. Кожен “аромат” частинки складається з трьох масових станів, і важливо зрозуміти, як саме вони впорядковані. Є два варіанти: нормальна або обернена ієрархія.
Це питання не технічне. Воно напряму пов’язане з тим, як поводяться нейтрино та їхні антиподі – антинейтрино. Якщо між ними існує різниця, то це означає порушення CP-симетрії – фундаментальної властивості природи, яка передбачає однакову поведінку матерії та антиматерії.
“Порушення CP-симетрії може бути ключем до того, чому матерія перемогла антиматерію”, – зазначають дослідники.
Поки що об’єднаний аналіз не дає однозначної відповіді про ієрархію мас. Але є важливий натяк: якщо майбутні експерименти підтвердять обернену схему, то отримані результати вказуватимуть на наявність CP-порушення.
Його відсутність, навпаки, поставила б під сумнів одну з головних гіпотез про походження Всесвіту в нинішньому вигляді.
Співпраця, що змінює поле досліджень
В об’єднаному аналізі взяли участь сотні спеціалістів. Команда NOvA складається з понад 250 науковців, T2K – з більш ніж 560 представників світових інституцій. Представник T2K Томаш Носек наголосив, що такий результат став можливим завдяки синергії двох великих колаборацій, які застосовують різні методики заради спільної мети.
“Це результат глибокого взаєморозуміння двох потужних проєктів, які поєднали зусилля для руху вперед”, – підкреслив він.
Попереду ще багато роботи, але зараз фізики вперше отримали набір даних, що дає справжній шанс підібратися до розгадки одного з найдавніших питань науки – чому існуємо ми та Всесвіт навколо.
