Японские физики изучили причину барионной асимметрии — нарушения симметрии между материей и антиматерией, которые могли бы объяснить, почему во Вселенной вообще существует вещество. Им удалось раскрыть самое убедительное на сегодняшний день доказательство, что дисбаланс возник из-за поведения нейтрино. Статья ученых опубликована в журнале Nature.
Исследователи наблюдали за осцилляциями нейтрино в рамках эксперимента T2K (Tokai to Kamioka). Нейтринные осцилляции представляют собой явление, при котором нейтрино меняют свой сорт. В данном случае физиков интересовал переход мюонных нейтрино и мюонных антинейтрино в их «зеркальные» формы — электронные нейтрино и электронные антинейтрино, соответственно.
Одним из необходимых условий преобладания материи над антиматерией, что наблюдается в современной Вселенной, является нарушение симметрии заряда-четности (СР-симметрии), то есть законы физики не остаются неизменными для частиц, которых превратили в соответствующие античастицы и одновременно зеркально отразили. Нарушение СР-симметрии наблюдалось для кварков, однако величина этого нарушения оказалась недостаточной для объяснения барионной асимметрии. T2K предназначен для поиска СР-нарушения в нейтринных осцилляциях.
В ходе T2K пучок мюонных нейтрино и антинейтрино генерировались в протонном ускорительном комплексе J-PARC вблизи села Токай на восточном побережье Японии. Частицы преодолевали 295 километров и регистрировались нейтринным детектором «Супер-Камиоканде» в шахте Камиока. При этом их сорт мог меняться в ходе нейтринных осцилляций.
Степень нарушения симметрии определяется параметром δ, который может принимать значения от -180 градусов до 180 градусов. Если параметр равен нулю или 180 градусам, то нейтрино и антинейтрино изменят свой сорт схожим образом, не нарушая CP-симметрию. Однако δ может усиливать осцилляции нейтрино или антинейтрино, принимая значения -90 градусов или 90 градусов соответственно. Исследователи сделали поправку на усиление осцилляции, вызванное тем фактом, что детекторы сделаны из вещества, а не антивещества.
Полученные результаты в наибольшей степени соответствовали значению δ в -90 градусов, и в наименьшей — диапазону от 2 до 165 градусов на уровне статистической значимости в 99,7 процента, что соответствует трем сигмам, или трем стандартным отклонениям. В то же время чувствительности эксперимента пока недостаточно для точного определения, нарушается ли CP-симметрия или нет. Для этого необходима статистическая значимость, соответствующая пяти сигмам. В дальнейшем ученые собираются модернизировать экспериментальные установки.