Стандартная модель физики элементарных частиц была основным средством объяснения того, что представляют собой основные строительные блоки материи и как они взаимодействуют на протяжении десятилетий. Модель, впервые предложенная в 1970-х годах, утверждает, что для каждой созданной частицы существует античастица. Таким образом, вечная тайна, создаваемая этой моделью, заключается в том, почему Вселенная может существовать, если она теоретически состоит из равных частей вещества и антивещества.
Это кажущееся несоответствие, известное как нарушение четности заряда, является предметом экспериментов в течение многих лет. Но до сих пор не было сделано окончательной демонстрации этого нарушения или того, как много материи может существовать во Вселенной без ее аналога. Но благодаря новым открытиям, опубликованным международным сообществом Tokai-to-Kamioka (T2K), мы можем быть на один шаг ближе к пониманию того, почему существует это неравенство.
Впервые наблюдавшееся в 1964 г. нарушение СР предполагает, что при определенных условиях законы зарядовой симметрии и четности (сим. СР-симметрии) не применяются. Эти законы гласят, что физика, управляющая частицей, должна быть такой же, если бы она была взаимозаменяемой с ее античастицей, а ее пространственные координаты были бы инвертированы. Из этого наблюдения возникла одна из величайших космологических загадок.
Если законы, регулирующие материю и антивещество, одинаковы, то почему во Вселенной так доминирует материя? С другой стороны, если материя и антивещество существенно различаются, то как это согласуется с нашими представлениями о симметрии? Ответы на эти вопросы важны не только для наших доминирующих космологических теорий, но и для понимания того, как работают слабые взаимодействия, управляющие частицами.
Основанное в июне 2011 года международное сотрудничество T2K является первым в мире экспериментом, посвященным раскрытию этой тайны путем изучения колебаний нейтрино и антинейтрино. Эксперимент начинается с генерации высокоинтенсивных пучков мюонных нейтрино (или мюонных антинейтрино) в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC), которые затем направляются в сторону детектора Супер-Камиоканде, расположенного на расстоянии 295 км.
Этот детектор в настоящее время является одним из крупнейших и наиболее совершенных в мире, он предназначен для обнаружения и исследования солнечных и атмосферных нейтрино. По мере того как нейтрино перемещаются между двумя объектами, они меняют «вкус» - переходя от мюонных нейтрино или антинейтрино к электронным нейтрино или антинейтрино. При мониторинге этих нейтринных и антинейтринных пучков эксперимент наблюдает за различными скоростями колебаний.
Это различие в колебаниях показало бы, что существует дисбаланс между частицами и античастицами, и, таким образом, впервые предоставило окончательное свидетельство нарушения CP. Это также указывает на то, что за пределами Стандартной модели есть физика, которую ученые еще не исследовали. В апреле этого года был выпущен первый набор данных, созданный T2K, который дал некоторые впечатляющие результаты.
Как отметил в недавнем пресс-релизе Марк Хартц, сотрудник T2K и доцент проекта IPMU Кавли,:
«Хотя наборы данных все еще слишком малы, чтобы сделать окончательное утверждение, мы видим слабое предпочтение большого нарушения CP, и мы рады продолжить сбор данных и сделать более чувствительный поиск нарушения CP».
Эти результаты, которые были недавно опубликованы в Письма о физическом обзоре, включите все данные за период с января 2010 года по май 2016 года. Всего эти данные составили 7,482 x 1020 протоны (в режиме нейтрино), которые привели к 32 электронным нейтрино и 135 мюонным нейтринным событиям и 7,471 × 1020 протоны (в режиме антинейтрино), что привело к 4 электронным антинейтринным и 66 мюонным нейтринным событиям.
Другими словами, первая партия данных предоставила некоторые доказательства нарушения CP и с доверительным интервалом 90%. Но это только начало, и эксперимент, как ожидается, продлится еще десять лет, прежде чем закончить. «Если нам повезет и эффект нарушения СР будет значительным, мы можем ожидать, что к 2026 году будет доказано наличие 3 сигм, или около 99,7% вероятности нарушения СР», - сказал Хартц.
Если эксперимент окажется успешным, физики, наконец, смогут ответить, как получается, что ранняя Вселенная не уничтожила себя. Также вероятно поможет раскрыть аспекты Вселенной, в которые физики элементарных частиц стремятся попасть! Ибо именно здесь можно найти ответы на самые глубокие секреты Вселенной, например на то, как все ее фундаментальные силы сочетаются друг с другом.
