Международная команда ученых сделала важный шаг к пониманию одной из главных загадок космологии — почему во Вселенной существует материя. Новые результаты получены благодаря совместному анализу данных двух крупнейших нейтринных экспериментов — NOvA в США и T2K в Японии. Работа опубликована в журнале Nature.
Нейтрино — чрезвычайно легкие и почти не взаимодействующие с веществом частицы. Они постоянно проходят через космос, планеты и даже человеческое тело, практически не оставляя следов. Несмотря на это, изучение нейтрино может помочь ответить на фундаментальный вопрос: почему после Большого взрыва во Вселенной осталась материя, из которой сформировались галактики, звезды, планеты и жизнь.
Согласно современной космологической теории, Большой взрыв должен был создать одинаковое количество материи и антиматерии. При встрече они уничтожают друг друга, превращаясь в энергию. Если бы их было строго поровну, Вселенная осталась бы почти пустой. Однако по неизвестной причине возник небольшой перевес материи.
Физики предполагают, что разгадка может быть связана с особенностями поведения нейтрино.
Эти частицы существуют в трех типах — электронных, мюонных и тау-нейтрино. По мере движения они могут превращаться друг в друга в процессе, известном как нейтринные осцилляции. Если нейтрино и их антиматериальные аналоги — антинейтрино — ведут себя немного по-разному, это может объяснить возникновение дисбаланса между материей и антиматерией.
Для проверки этой идеи ученые используют мощные ускорители частиц. В эксперименте NOvA пучок нейтрино создается в лаборатории Ферми недалеко от Чикаго и проходит 810 км сквозь Землю до детектора массой 14 тыс. тонн в штате Миннесота.
В японском проекте T2K нейтрино запускают из ускорительного комплекса J-PARC в городе Токай. Частицы проходят 295 км до гигантского детектора Super-Kamiokande, расположенного глубоко под горой Икенояма.
Обнаружить нейтрино чрезвычайно сложно: из огромного числа частиц лишь немногие взаимодействуют с веществом детекторов. Поэтому ученым требуются гигантские установки и сложные методы анализа данных.
В новой работе исследователи впервые объединили результаты двух экспериментов. Благодаря этому удалось повысить точность измерений параметров нейтринных осцилляций.
Совместный анализ показал возможные признаки нарушения так называемой CP-симметрии — фундаментального принципа, согласно которому материя и антиматерия должны подчиняться одинаковым законам физики.
Полученные данные намекают, что нейтрино и антинейтрино могут колебаться немного по-разному. Именно такая асимметрия могла сыграть ключевую роль в том, что после Большого взрыва выжила материя.
«Мы продвинулись в решении очень большого и, казалось бы, почти неразрешимого вопроса — почему существует что-то, а не ничего», — отметил физик Марк Мессье из Университета Индианы.
В проекте участвуют сотни ученых из США, Европы и Японии. По словам исследователей, совместный анализ данных показывает, насколько важным для современной физики становится международное сотрудничество.
Ранее физики вычислили срок существования развитых цивилизаций.