В очень ранней Вселенной, вскоре после Большого взрыва, «материя» и «антивещество» существовали в равных количествах. Однако по неизвестным до сих пор причинам «материя» доминирует в нынешней вселенной. Исследователи T2K недавно показали возникновение возможного нарушения зарядовой четности в нейтрино и соответствующих антинейтринных осцилляций. Это шаг вперед в понимании того, почему материя доминирует во Вселенной.
Большой взрыв (произошедший около 13.8 миллиарда лет назад) и другие связанные с ним теории физики предполагают, что ранние вселенная была радиация "доминирующей" и "вопросиантивещество'существовали в равном количестве.
Но во Вселенной, которую мы знаем сегодня, преобладает «материя». Почему? Это одна из самых интригующих загадок мироздания. (1).
Цена на вселенная то, что мы знаем сегодня, началось с равных количеств «материи» и «антиматерии», оба были созданы парами, как того требует закон природы, а затем неоднократно аннигилировали, производя излучение, известное как «космическое фоновое излучение». Примерно через 100 микросекунд после Большого взрыва количество материи (частиц) каким-то образом стало превосходить количество античастиц, скажем, на одну из каждого миллиарда, и в течение нескольких секунд вся антиматерия была уничтожена, оставив после себя только материю.
Каков процесс или механизм, который может создать такое различие или асимметрию между веществом и антивеществом?
В 1967 году русский физик-теоретик Андрей Сахаров постулировал три условия, необходимые для возникновения дисбаланса (или образования материи и антивещества с разной скоростью) во Вселенной. Первое условие Сахарова - нарушение барионного числа (квантового числа, которое сохраняется при взаимодействии). Это означает, что протоны чрезвычайно медленно распадались на более легкие субатомные частицы, такие как нейтральный пион и позитрон. Точно так же антипротон распался на пион и электрон. Второе условие - это нарушение симметрии зарядового сопряжения, C, и симметрии зарядового сопряжения-четности, CP, также называемое нарушением зарядовой четности. Третье условие состоит в том, что процесс, который порождает барионную асимметрию, не должен находиться в тепловом равновесии из-за быстрого расширения, уменьшающего возникновение парной аннигиляции.
Это второй критерий СР-нарушения Сахарова, который является примером некой асимметрии между частицами и их античастицами, описывающей способ их распада. Сравнивая поведение частиц и античастиц, то есть то, как они движутся, взаимодействуют и распадаются, ученые могут найти доказательства этой асимметрии. Нарушение CP свидетельствует о том, что некоторые неизвестные физические процессы ответственны за дифференциальное производство вещества и антивещества.
Электромагнитное и «сильное взаимодействия», как известно, симметричны относительно C и P, и, следовательно, они также симметричны относительно произведения CP (3). «Однако это не обязательно так для« слабого взаимодействия », которое нарушает как C-, так и P-симметрию». - говорит профессор Б.А. Робсон. Далее он говорит, что «нарушение CP в слабых взаимодействиях означает, что такие физические процессы могут привести к косвенному нарушению барионного числа, так что создание материи будет предпочтительнее создания антивещества». Некварковые частицы не обнаруживают каких-либо CP-нарушений, тогда как CP-нарушение в кварках слишком мало и незначительно, чтобы иметь различие в создании материи и антивещества. Таким образом, нарушение CP в лептонах (нейтрино) становится важным, и если оно будет доказано, то это ответит, почему во Вселенной преобладает материя.
Хотя нарушение CP-симметрии еще предстоит окончательно доказать (1), результаты, сообщенные недавно командой T2K, показывают, что ученые действительно близки к этому. Впервые было продемонстрировано, что переход от частицы к электрону и нейтрино предпочтительнее перехода от античастицы к электрону и антинейтрино, посредством очень сложных экспериментов на T2K (Токай - Камиока) (2). T2K относится к паре лабораторий, Японскому исследовательскому комплексу ускорителей протонов (J-Parc) в г. Tokai и подземная нейтринная обсерватория Супер-Камиоканде в Камиока, Японию разделяет около 300 км. Протонный ускоритель в Токай генерировал частицы и античастицы в результате столкновений высоких энергий, а детекторы в Камиоке наблюдали нейтрино и их аналоги из антивещества, антинейтрино, выполнив очень точные измерения.
После анализа данных за несколько лет на T2K, ученые смогли измерить параметр, называемый дельта-CP, который управляет нарушением CP-симметрии в осцилляции нейтрино, и обнаружили несоответствие или предпочтение увеличения скорости нейтрино, что в конечном итоге может привести к подтверждение нарушения CP в осцилляции нейтрино и антинейтрино. Результаты, полученные командой T2K, значимы при статистической значимости 3-сигма или уровне достоверности 99.7%. Это важное достижение, поскольку подтверждение CP-нарушения с участием нейтрино связано с преобладанием материи во Вселенной. Дальнейшие эксперименты с большей базой данных позволят проверить, больше ли это нарушение лептонной CP-симметрии, чем нарушение CP-симметрии в кварках. Если это так, то мы наконец получим ответ на вопрос, почему во Вселенной преобладает материя.
Хотя эксперимент T2K четко не устанавливает, что нарушение CP-симметрии имело место, но это важная веха в том смысле, что он убедительно демонстрирует сильное предпочтение увеличенной скорости электронных нейтронов и приближает нас к доказательству нарушения CP-симметрии и, в конечном итоге, к ответьте «почему во Вселенной преобладает материя».
Ссылки:
1. Токийский университет, 2020. «Результаты T2K ограничивают возможные значения фазы нейтрино CP -… ..» Пресс-релиз, опубликованный 16 апреля 2020 г. Доступен онлайн по адресу http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Доступ 17 апреля 2020 г.
2. Коллаборация T2K, 2020. Ограничение на фазу нарушения симметрии вещество – антивещество в нейтринных осцилляциях. Том 580, страницы 339–344 (2020). Опубликовано: 15 апреля 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Робсон Б.А., 2018. Проблема асимметрии материи и антивещества. Журнал физики высоких энергий, гравитации и космологии, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
