Ученые из Университета Индианы в составе международной коллаборации сделали значительный шаг к пониманию одной из фундаментальных загадок Вселенной. Благодаря совместному анализу данных двух ведущих экспериментов по изучению нейтрино –– частиц, которые почти не имеют массы и крайне редко взаимодействуют с веществом, –– исследователи приблизились к ответу на вопрос, почему наш мир состоит из материи, а не превратился в пустоту сразу после Большого взрыва.
Прорыв, результаты которого опубликованы в журнале Nature, стал возможен благодаря объединению данных американского эксперимента NOvA и японского T2K. Эти проекты изучают нейтрино и их античастицы –– антинейтрино, –– чтобы понять, почему Вселенная не самоуничтожилась в первые мгновения своего существования. Согласно теории, Большой взрыв должен был породить равное количество материи и антиматерии, которые при встрече аннигилируют, превращаясь в чистую энергию. Однако по неизвестной причине возник небольшой избыток материи, из которой впоследствии сформировались звезды, планеты и жизнь.
В обоих экспериментах пучки нейтрино, сгенерированные на ускорителях частиц, направляются через сотни километров земной коры к гигантским подземным детекторам. Уловить эти «призрачные» частицы –– невероятно сложная задача. Из триллионов нейтрино, проходящих через детекторы, лишь единицы оставляют измеримый след. Используя сложнейшее оборудование и программное обеспечение, ученые реконструируют эти редкие взаимодействия, чтобы изучить, как нейтрино меняют свои свойства –– или «ароматы» –– в процессе полета.
Считается, что именно нейтрино могут хранить ключ к разгадке асимметрии. Эти частицы существуют в трех разновидностях: электронное, мюонное и тау-нейтрино. В пути они способны спонтанно превращаться из одного типа в другой –– этот процесс называется осцилляцией. Если нейтрино и антинейтрино осциллируют по-разному, это может объяснить, почему материя в конечном счете одержала победу над антиматерией. Такое различие в поведении нарушило бы так называемую CP-симметрию –– принцип, согласно которому законы физики должны быть одинаковы для частиц и их античастиц-близнецов.
Объединив данные NOvA, который отправляет пучок нейтрино на 810 километров, и T2K, с его более коротким, но интенсивным пучком на 295 километров, исследователи смогли значительно повысить точность измерений. Совместный анализ позволил с большей уверенностью говорить о возможном нарушении CP-симметрии. Проще говоря, данные указывают на то, что нейтрино и антинейтрино ведут себя не как идеальные зеркальные отражения друг друга. Эта едва уловимая разница и могла стать тем решающим фактором, который позволил материи выжить.
«Мы достигли прогресса в решении этого действительно большого и, казалось бы, неразрешимого вопроса: почему существует нечто, а не ничто?» –– отмечает профессор Марк Мессье из Университета Индианы. Он добавляет, что эта работа закладывает основу для будущих исследовательских программ, которые будут использовать нейтрино для ответа на другие фундаментальные вопросы физики.
Масштабные научные проекты, подобные этому, приносят пользу, выходящую за рамки фундаментальной науки. Технологии, разработанные для детектирования нейтрино, включая высокоскоростную электронику и передовые системы анализа данных, находят применение в промышленности. Кроме того, молодые ученые, работающие в проектах, получают уникальные навыки в области анализа данных, машинного обучения и искусственного интеллекта, которые востребованы в самых разных отраслях экономики.
