Международный эксперимент Т2К сделал шаг к решению проблемы дисбаланса между веществом и антивеществом во Вселенной

16.04.2020



В нейтринном эксперименте T2K (Япония), в котором участвуют российские ученые из Института ядерных исследований РАН (ИЯИ РАН) удалось получить уникальный научный результат, который может внести больше ясности в вопрос соотношения вещества и антивещества во Вселенной. Открытие касается нарушения симметрии между веществом и антивеществом, которое позволяет объяснить, почему вещества во Вселенной больше, чем антивещества. Соответствующая статья вышла 15 апреля в авторитетном журнале Nature. Участие российских ученых в эксперименте поддерживается в том числе Российским научным фондом (РНФ).

Эксперимент T2K (Tokai-to-Kamioka) использует ускорительные нейтрино, создаваемые с помощью протонного ускорителя частиц (синхротрона) в центре J-PARC, находящемся на востоке Японии в городе Токай (140 км на север от Токио). Нейтрино – мельчайшая элементарная частица. Она обладает удивительными свойствами: миллиарды нейтрино проходят ежеминутно через тело человека и даже земной шар, не взаимодействуя никак с другими элементарными частицами. Есть разные источники нейтрино: в недрах Солнца, при термоядерных реакциях, в верхних слоях атмосферы при ее бомбардировке космическими лучами, при бета-распаде частиц в ядерных реакторах, а также в глубине Земли. Экспериментальная установка Т2К была разработана, создана и эксплуатируется международной коллаборацией, в которую входят около 500 ученых из 12 стран. Российский участник – Институт ядерных исследований РАН.

В эксперименте Т2К пучок нейтрино направлен из ускорителя J-PARC в детектор Super-Kamiokande – 50-килотонный водный детектор, установленный в шахте глубоко под землей для того, чтобы избежать помех в виде космических лучей. Он находится на расстоянии почти 300 километров от ускорителя. В эксперименте изучали осцилляции мюонных нейтрино и антинейтрино (частиц и античастиц), то есть их способность превращаться в другой тип нейтрино или антинейтрино. Ученые сравнивали ожидаемое число и спектр нейтрино в дальнем детекторе Супер-Камиоканде, рассчитанные на основе измеренного потока нейтрино (антинейтрино) в ближнем детекторе ND280, находящемся на расстоянии 280 м от протонной мишени. Согласно Стандартной модели, к которой физики пришли в конце 1970-х годов, в мире существуют три типа нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, соответствующие своим лептонам — электрону, мюону и тау. Однако они могут переходить из одного типа в другой прямо на лету. С использованием пучков мюонных нейтрино и антинейтрино в эксперименте Т2К изучили различия между процессами осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино и мюонных антинейтрино в электронные антинейтрино. Цель ученых – найти нарушения комбинированной зарядово-пространстренной CP-симметрии в лептонном секторе. Это нарушение, то есть неинвариантность физических законов относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы.

Параметр, который определяет степень нарушения симметрии между веществом и антивеществом, может принимать значения в интервале от -180º до 180º, то есть, занимать весь спектр. Результаты, полученные коллаборацией T2K, позволяют впервые исключить почти половину возможных значений параметра с вероятностью в 99.7%, а также впервые продемонстрировать возможность исследования этого фундаментального свойства нейтрино.

Полученные данные указывают на максимальное СР нарушение, параметр близок к -90 º. Это важнейший этап для понимания различий в поведении между нейтрино и его античастицей.

«Результат Т2К является первым указанием на существование нового источника СР-нарушения, а именно нарушение СР-симметрии в лептонном секторе Стандартной модели. Вполне вероятно, что этот результат открывает принципиально новую возможность для объяснения асимметрии между веществом и антивеществом во Вселенной, состоящей главным образом из материи с небольшой долей антиматерии. Это одна из удивительных загадок природы, которая пока не находит объяснения, поскольку в соответствии с теорией Большого Взрыва в первый момент образовалось равное количество вещества и антивещества», – рассказывает Юрий Куденко, руководитель проекта по гранту РНФ, заведующий отделом физики высоких энергий ИЯИ РАН.

Для того чтобы процесс эволюции Вселенной привел к наблюдаемому доминированию материи над антиматерией, необходимо существование нарушения комбинированной зарядово-пространственной четности (CP-симметрии). Однако СР нарушение в кварковом секторе дает слишком малую величину барионной асимметрии Вселенной: примерно на 10 порядков меньше величины, которую наблюдают ученые. Возможно, что нейтрино, их удивительные свойства, приводящие к нарушению СР-симметрии, откроют новый путь к решению этой проблемы, а эксперимент Т2К сделал очень важный шаг в этом направлении.

Для увеличения чувствительности эксперимента T2K сейчас проводится модернизация ближнего нейтринного детектора ND280. Сотрудниками ИЯИ РАН разработан и создается принципиально новый активный нейтринный детектор-мишень. В этой работе также участвует Лаборатория ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований. Одновременно ведется работа по увеличению интенсивности пучка протонов от ускорителя J-PARC. Следует особо отметить, что в январе 2020 г. было одобрено создание в Японии нейтринного детектора нового поколения Гипер-Камиоканде, масса которого в 8 раз больше массы Супер-Камиоканде. Этот детектор будет введен в эксплуатацию в 2027 году, что позволит обнаружить нарушения CP-симметрии в лептонном секторе на уровне высокого уровня достоверности 5\sigma и выполнить прецизионное измерение параметра, определяющего степень нарушения симметрии между веществом и антивеществом. В работе над проектом Гипер-Камиоканде принимают участие ученые из Института ядерных исследований РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова.


Справочно:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской Академии наук (ИЯИ РАН) образован в 1970 году постановлением Президиума АН СССР на основе решения Правительства, принятого по инициативе Отделения ядерной физики АН СССР. Институт организован в целях создания современной экспериментальной базы и развития исследований в области физики элементарных частиц и высоких энергий, атомного ядра, физики и техники ускорителей, физики космических лучей, космологии и физики нейтрино.

 

Контакты для СМИ:

Куденко Юрий Григорьевич,
Заведующий отделом физики высоких энергий, ИЯИ РАН,

kudenko@inr.ru,

8-903-615-91-25

Юдина Полина Александровна,
Пресс-секретарь ИЯИ РАН,

udinapolina@yandex.ru,

8-916-807-70-60

©РАН 2020