У дуже ранньому Всесвіті , невдовзі після Великого вибуху, « матерія » та «антиматерія» існували в рівній кількості. Однак, з невідомих досі причин, «матерія » домінує в сучасному Всесвіті . Дослідники T2K нещодавно показали наявність можливого порушення зарядової парності в нейтрино та відповідних антинейтринних коливань. Це крок вперед у розумінні того, чому матерія домінує у Всесвіті.
Великий вибух (який стався близько 13.8 мільярдів років тому) та інші пов'язані з ним теорії фізики припускають, що в ранньому Всесвіті «домінувало» випромінювання, а «матерія » та « антиматерія » існували в рівній кількості.
Але Всесвіт , який ми знаємо сьогодні, домінує «матерія». Чому? Це одна з найцікавіших загадок Всесвіту . (1).
Всесвіт , який ми знаємо сьогодні, почався з рівної кількості «матерії» та «антиматерії». Обидві були створені парами , як того вимагав закон природи, а потім неодноразово знищувалися, створюючи випромінювання, відоме як «космічне фонове випромінювання». Протягом приблизно 100 мікросекунд після Великого вибуху матерія (частинки) якимось чином почала перевищувати кількість античастинок, скажімо, на одну на мільярд, і протягом кількох секунд вся антиматерія була знищена, залишивши лише матерію.
Який процес чи механізм створив би таку різницю чи асиметрію між речовиною та антиматерією?
У 1967 році російський фізик-теоретик Андрій Сахаров постулював три умови, необхідні для виникнення дисбалансу (або утворення матерії та антиречовини з різною швидкістю) у Всесвіті . Перша умова Сахарова – це порушення баріонного числа (квантового числа, яке зберігається у взаємодії). Це означає, що протони надзвичайно повільно розпадалися на легші субатомні частинки, такі як нейтральний піон та позитрон. Аналогічно, антипротон розпався на піон та електрон. Друга умова – це порушення симетрії спряження зарядів, C, та симетрії спряження зарядів-парності, CP, яку також називають порушенням зарядово-парної симетрії. Третя умова полягає в тому, що процес, який генерує баріонну асиметрію, не повинен перебувати в тепловій рівновазі через швидке розширення, що зменшує виникнення парної анігіляції.
Це другий критерій Сахарова щодо порушення CP, який є прикладом своєрідної асиметрії між частинками та їх античастинками, що описує спосіб їх розпаду. Порівнюючи поведінку частинок і античастинок, тобто спосіб їхнього руху, взаємодії та розпаду, вчені можуть знайти докази цієї асиметрії. Порушення CP є доказом того, що деякі невідомі фізичні процеси є відповідальними за диференціальне виробництво матерії та антиречовини.
Відомо, що електромагнітна та «сильна взаємодії» симетричні відносно C та P, і, отже, вони також симетричні відносно добутку CP (3). «Однак це не обов'язково стосується «слабкої взаємодії», яка порушує як C, так і P симетрії», — каже професор Б. А. Робсон. Далі він зазначає, що «порушення CP у слабких взаємодіях означає, що такі фізичні процеси можуть призвести до непрямого порушення баріонного числа, так що утворення матерії буде кращим за утворення антиматерії». Некваркові частинки не демонструють жодних порушень CP, тоді як порушення CP у кварках занадто малі та незначні, щоб мати різницю у утворенні матерії та антиматерії. Отже, порушення CP у лептонах ( нейтрино ) стає важливим, і якщо це буде доведено, то це дасть відповідь на питання, чому у Всесвіті домінує матерія.
Хоча порушення CP-симетрії ще не доведено остаточно (1), результати, про які нещодавно повідомила команда T2K, показують, що вчені дійсно близькі до цього. Вперше було продемонстровано, що перехід від частинки до електрона та нейтрино переважає перехід від античастинки до електрона та антинейтрино, завдяки високотехнологічним експериментам у T2K (Токай - Каміока) (2). T2K стосується пари лабораторій: Японського дослідницького комплексу прискорювачів протонів (J-Parc) у Токаї та підземної нейтринної обсерваторії Super-Kamiokande в Каміоці, Японія, які знаходяться на відстані близько 300 км одна від одної. Прискорювач протонів у Токаї генерував частинки та античастинки внаслідок зіткнень високої енергії, а детектори в Каміоці спостерігали нейтрино та їх аналоги з антиречовини, антинейтрино, шляхом дуже точних вимірювань.
Після аналізу кількох років даних у T2K, вчені змогли виміряти параметр під назвою дельта-CP, який керує порушенням CP-симетрії в коливаннях нейтрино, та виявили невідповідність або перевагу посилення швидкості нейтрино, що зрештою може призвести до підтвердження порушення CP-симетрії в коливаннях нейтрино та антинейтрино. Результати, отримані командою T2K, є значущими на рівні статистичної значущості 3 сигма або 99.7% рівня довіри. Це важливе досягнення, оскільки підтвердження порушення CP-симетрії за участю нейтрино пов'язане з домінуванням матерії у Всесвіті . Подальші експерименти з більшою базою даних перевірять, чи є це лептонне порушення CP-симетрії більшим, ніж порушення CP у кварках. Якщо це так, то ми нарешті отримаємо відповідь на питання, чому у Всесвіті домінує матерія.
Хоча експеримент T2K чітко не встановлює факт порушення CP-симетрії, він є важливою віхою в тому сенсі, що переконливо демонструє сильну перевагу підвищеної швидкості електронів-нейтронів і наближає нас до доказу наявності порушення CP-симетрії та, зрештою, до відповіді на питання «чому у Всесвіті домінує матерія».
***
Список використаної літератури:
1. Токійський університет, 2020. «Результати T2K обмежують можливі значення фази CP нейтрино -…..» Прес-реліз, опублікований 16 квітня 2020 року. Доступно онлайн за адресою http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Дата звернення: 17 квітня 2020 року.
2. Колаборація T2K, 2020. Обмеження на фазу порушення симетрії матерія-антиречовина в нейтринних коливаннях. Nature, том 580, сторінки 339–344 (2020). Опубліковано: 15 квітня 2020 р. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Робсон, Б.А., 2018. Проблема асиметрії матерії-антиматерії. Журнал фізики високих енергій, гравітації та космології, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
