Японским ученым, возможно, удалось объяснить асимметрию материи и антиматерии

Интересно

Всё, что мы видим во Вселенной, сделано из материи. И для физиков это большая проблема, ведь, с точки зрения физики, материя и антиматерия эквивалентны друг другу.

Согласно стандартной модели, мы должны наблюдать одинаковое количество материи и антиматерии. Точнее, мы должны видеть лишь фотоны, оставшиеся от их столкновения и взаимной аннигиляции. Еще точнее, мы вообще ничего не должны видеть, потому что нас не должно быть.

Почему же мы существуем? Потому, что после Большого взрыва материи оказалось чуть больше, чем антиматерии, появились звезды, галактики, планеты и мы с вами. А значит, материя и антиматерия не настолько уж эквивалентны друг другу. Другими словами, они асимметричны.

Ученым удалось найти у частиц одно такое нарушение симметричности, но оно не способно в одиночку объяснить, почему материи оказалось больше, чем антиматерии. О других нарушениях выдвигались гипотезы. И вот одна из гипотез получила подкрепление данными исследования.

Точность нового исследования пока не позволяет назвать результаты полноценным открытием, но эксперимент обеспечил прочную базу для дальнейшей работы.

Давайте разбираться.

Асимметрия частиц

Как вы уже поняли, “лишняя” материя должна объясняться фундаментальными различиями на уровне частиц. Одно такое различие было обнаружено у кварков — частиц, из которых состоят протоны, нейтроны и другие частицы. Это различие было замечено еще в 1964 году в слабом взаимодействии (wiki) кварков и антикварков.

Но этого оказалось недостаточно для объяснения дисбаланса материи и антиматерии.

Конечно, есть гипотезы о других различиях. Например, в классе частиц под названием лептоны. Лептоны — это нейтрино, мюоны, электроны и им подобные. И если асимметрия есть среди лептонов и антилептонов, то со временем это может привести не только к перевесу лептонов, но и к перевесу барионов — класса частиц, из которых состоит большая часть массы атома.

Японским ученым, возможно, удалось объяснить асимметрию материи и антиматерии

Как заметить эти различия? Очень долго наблюдать за частицами. В частности, за нейтрино. Именно этим и занимаются ученые японского проекта T2K Collaboration, вглядываясь в огромный резервуар воды.

Всё дело в нейтрино

Нейтрино славятся своими особенностями. Одной из этих особенностей является то, что у них нет фиксированного состояния — они находятся в суперпозиции между тремя видами. Когда мы измеряем,нейтрино он оказывается либо электронным, либо мюонным (данный детектор не ловит третий вид: тау-нейтрино).

Если вы возьмете группку мюон-нейтрино и чуть подождете, то с высокой вероятностью в следующий раз найдете в ней несколько электрон-нейтрино.

Какую роль их изменчивость играет в вопросе материи и антиматерии? Гипотетически, изменчивость нейтрино может отличаться от изменчивости антинейтрино. И чтобы эти различия заметить, нужно пронаблюдать сотни изменений среди этих частиц.

Зачем нужен резервуар с водой?

Вот уже много лет ученые проекта T2K сталкивают протоны со стационарной целью, создавая поток нестабильных частиц. Распадаясь, эти частицы производят немного мюонных нейтрино, которые продолжают лететь в том же направлении — получается луч из нейтрино. Ученые могут регулировать заряд частиц, производя либо луч из мюонных нейтрино, либо луч из мюонных антинейтрино.

Этот луч летит к тому самому резервуару воды, расположенному в 300 километрах. Никакой туннель тут не требуется, так как нейтрино почти никогда не взаимодействуют с материей. Ну а пока они летят, некоторые из них “переключаются” в состояние электрон-нейтрино (или электрон-антинейтрино).

Super-Kamiokande — гигантский резервуар чистейшей воды, стены которого покрыты фотодетекторами. Когда долетевшие нейтрино взаимодействуют с частицами в ядре молекул вод (что, кстати, происходит очень редко), электроны и мюоны вылетают. Детекторы ловят свет этих вылетевших частиц, определяя их вид. (Тау они не могут поймать).

В этом исследовании ученые взяли данные за десять лет — с 2009 по 2018 год. Сравнивая исходный луч и данные детекторов, они искали закономерности в перескоках нейтрино и антинейтрино.

И в этих закономерностях есть различия, сообщают авторы. Есть различия в перескоках нейтрино и антинейтрино. В таком выводе ученые уверены на 95% — недостаточно для того, чтобы считать это твердым доказательством, но достаточно для продолжения экспериментов и дальнейшей работы.

В частности, теоретики теперь могут взять эти данные о низкоэнергетических нейтрино и экстраполировать их на высокоэнергетические нейтрино, построив модель их влияния на другие частицы.

— 
Научная статья была опубликована в DOI:10.1038/s41586-020-2177-0
Источники: ArsTechnica, Live Science, Science Alert.

Источник

Оцените статью
Саморазвитие IQ
Добавить комментарий