Нейтрино нарушают фундаментальную симметрию?

Дополнительно собранные данные и улучшенный их анализ увеличили убеждённость учёных в том, что нейтрино и антинейтрино в некоторых ядерных реакциях ведут себя немного по-разному, и тем самым нарушают одну из фундаментальных симметрий — так называемую CP-симметрию. Об этом сообщают авторы статьи в Physical Review Letters.

© Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo
© Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), University of Tokyo

У каждой элементарной частицы есть античастица. У электрона — позитрон, у протона — антипротон, у нейтрона — антинейтрон и т. д. И хотя частицы и античастицы в целом практически идентичны, однако в окружающей нашей Вселенной наблюдается явное преобладание обычного вещества и практически полное отсутствие антиматерии.

С фундаментальной точки зрения идентичность частиц и античастиц объясняется так называемой CP-симметрией (charge-parity), которая утверждает, что законы физики должны оставаться неизменными при замене частиц на античастицы при условии зеркального отражения всей системы. Ещё в 1960-х годах, однако, было показано, что эту симметрию нарушают некоторые экзотичные частицы — более тяжёлые аналоги протонов и нейтронов.

Проблема заключается в том, что это нарушение слишком слабо, чтобы объяснить наблюдающееся отсутствие антиматерии во Вселенной.

Позже нарушение CP-симметрии было предсказано для нейтрино — слабо взаимодействующих с веществом частиц в большом количестве рождающихся в ходе ядерных реакций на Солнце и в атомных реакторах. Их исследование, действительно, показало некоторые признаки такого нарушения, но из-за сложности надёжного детектирования нейтрино, окончательной убеждённости в этом всё ещё нет.

Для ответа на вопрос, действительно ли нейтрино и антинейтрино ведут себя по-разному, сейчас проводится несколько экспериментов. Один из них — T2K в Японии. Это первый эксперимент в мире, который целенаправленно ищет нарушение СР-симметрии в осцилляциях нейтрино и антинейтрино. Для этого мощные пучки мюонных нейтрино (или мюонных антинейтрино), рождаемые на протонном ускорителе в J-PARC на восточном побережье Японии, направляются в огромный нейтринный детектор Super-Kamiokande, расположенный на расстоянии в 295 км, в префектуре Гифу. По пути нейтрино и антинейтрино совершают осцилляции — то есть спонтанно меняют свой «аромат», превращаясь из мюонных нейтрино или антинейтрино, в электронные. Различие в скоростях этих осцилляций колебаний для нейтрино и антинейтрино стало бы доказательством асимметрии между частицами и античастицами и признаками Новой физики за пределами Стандартной модели.

В прошлом году коллаборация T2K уже сообщала о том, что полученные ими данные увеличили статистическую значимость различия между нейтрино и антинейтрино. Теперь они увеличили её ещё больше. За время наблюдений с 2010 по 2017 годы учёные задетектировали 89 электронных нейтрино и 7 электронных антинейтрино, в то время как, если бы нарушения CP-симметрии не было, ожидалось бы соответственно 68 и 9.

Такое отличие указывает на верность гипотезы о нарушении с уверенностью около 95 % (или 2 стандартных отклонения сигма).

Это на 5 % больше чем в прошлом году. В физике частиц, однако, об окончательном доказательстве существования эффекта принято говорить только когда уверенность достигает 5 сигма или 99,99994 %.

Эксперимент T2K продлится ещё 5 лет, за которые учёные надеются увеличить количество задетектированных частиц в 2,5 раза.

Читайте также

Шесть причин следить за достижениями нейтринной физики

Нейтринная фабрика за 5 млрд евро

На SLAC обнаружили отклонение от Стандартной модели

И подписывайтесь на наш канал в Telegram!