Стъпка по-близо до решаване на най-голямата мистерия във Вселената

Звезди, галактики, планети, почти всичко, което съставлява нашето ежедневие, дължи съществуването си на космическо … хрумване. Същността на тази странност, която позволява на материята да доминира във Вселената за сметка на антиматерията, си остава загадка.

Сега резултатите от експеримент в Япония могат да помогнат на изследователите да разрешат пъзела – един от най-големите в науката.

Много вероятно всичко зависи от разликата в начина на поведение и частиците на антиматерията.

Светът, който ни е познат – включително всички предмети от ежедневието, до които можем да се докоснем – е съставен от материя. Основните градивни елементи на материята са субатомните частици, като електрони, кварки и неутрино.

Но материята има сенчест близнак, наречен антиматерия. Всяка субатомна частица от обикновената материя има съответна „античастица“. И въпреки това днес във Вселената има много повече материя от антиматерията. Но не винаги е било така.

Големият взрив трябва да е създал материята и антиматерията в равни количества.

„Когато физиците изучаващи частиците получават нови частици в ускорители, те винаги откриват, че те произвеждат двойки частици-античастици: на всеки отрицателен електрон, има положително зареден позитрон (антиматериалният колега на електрона)“, казва проф. Лий Томпсън от Университета в Шефилд, член на групата T2K, колаборация, която включва сравнително голям брой учени от британските университети.

„Въпросът е защо Вселената не е 50% материя и 50% антиматерия? Това е отдавнашен проблем в космологията – какво се е случило с антиматерията?“

Когато материална частица се срещне със своята античастица, те се „унищожават“ – изчезват в миг като енергия.

По време на първите части от секундата на Големия взрив, горещата, плътна Вселена е пълна с двойки частици-античастици, изскачащи, блъскащи се и излизащи от съществуване. Ако няма някакъв друг, неизвестен механизъм при тази ситуация, Вселената не трябва да съдържа нищо друго, освен остатъчна енергия.

„Ако това е така обаче, би било доста скучно и ние нямаше да сме тук“, заявява пред BBC News проф. Стефан Солднер-Ремболд, ръководител на групата по физика на частиците в Манчестърския университет.

Оттук идва и експериментът T2K. T2K е базиран в обсерваторията за неутрино Super-Kamiokande, базирана под земята в района на Камиока в Хида, Япония.

Изследователите използват детектора на съоръжението, за да наблюдават неутрино и техните антиматериални колеги, антинеутрино, генерирани на разстояние от 295 км в Японския протонно-ускорителен изследователски комплекс (J-Parc) в Токай. T2K означава от Токай до Камиока.

Докато пътуват през Земята, частиците и античастиците се колебаят между различни физични състояния, известни като аромати.

Физиците смятат, че намирането на разлика – или асиметрия – във физическите свойства на неутрино и антинеутрино може да помогне да се разбере защо материята е толкова разпространена в сравнение с антиматерията. Тази асиметрия е известна като нарушение на конюгиране на заряда и отмяна на паритета (CP).

Това е едно от трите необходими условия, предложени от руския физик Андрей Сахаров през 1967 г., което трябва да бъде изпълнено, за да се произвежда материя и антиматерия с различна скорост.

След анализиране на данните цели девет години, изследователите откриват несъответствие в начина, по който неутрино и антинеутрино се колебаят, записвайки числата, достигнали до Super Kamiokande с аромат, различен от този, с който са създадени.

Резултатът също е достигнал ниво на статистическа значимост – наречено три сигма – това е достатъчно високо, за да покаже, че при тези частици се наблюдава нарушение на СР.

„Докато нарушението на CP, включващо кварки, е експериментално установено, нарушение на CP никога не е наблюдавано при неутрино“, казва Стефан Зелднер-Ремболд.

„Нарушаването на симетрията на СР е едно от (по Сахаров) условията за съществуване на доминирана от материя Вселена, но ефектът, задвижван от кварки, е за съжаление твърде малък, за да обясни защо нашата Вселена е изпълнена главно с материя.

„Откриването на нарушение на СР с неутрино би било голям скок напред в разбирането как се е образувала Вселената.“

Теория, наречена лептогенеза, свързва господството на материята с нарушение на СР, включващо неутрино.

„Тези модели за лептогенеза прогнозират, че доминирането на материята всъщност се дължи на неутрино сектора. Ако наблюдавате нарушение на неутрино СР, това би ни дало категорична индикация, че моделът на лептогенезата е пътят напред“, каза проф. Зелднер-Ремболд.

Резултатите от T2K „дават силни намеци“, че ефектът на нарушение на СР може да бъде голям при неутрино.

Това би означавало, че експериментът с неутрино от ново поколение – DUNE, който в момента се изгражда в мина в Южна Дакота, може да открие ефекта по-бързо от очакваното. Международният проект е домакин на Националната ускорителна лаборатория на Ферми в САЩ (Fermilab).

Проф. Солднер-Ремболд е член на научния екип на DUNE и говорител на колектива. Детекторът на експеримента ще съдържа 70 000 тона течен аргон, погребан на една миля под земята. Той ще се използва за откриване и измерване на нарушение на CP с висока точност.

Той добави, че резултатът от T2K „ни доближава стъпка по-близо до това да имаме модел, който обяснява как Вселената се е развила до доминираната днес от материя Вселена“.

Публикувано в списание Nature.