Polscy naukowcy: we Wszechświecie nie ma symetrii

Międzynarodowe badania z udziałem Polaków wskazują na to, że neutrina oscylują inaczej, niż antyneutrina. Ich wnioski pomagają zrozumieć, dlaczego we Wszechświecie jest teraz tak dużo materii, a tak mało antymaterii. „Zwierciadło pęka” - tak nowe wyniki anonsuje na okładce „Nature”

Wyniki badań międzynarodowego zespołu ukazały się w „Nature” https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0 . Wśród autorów pracy są  m.in. naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetów: Warszawskiego, Śląskiego, Wrocławskiego, IFJ PAN czy Politechniki Warszawskiej.

Gdyby we Wszechświecie istniała perfekcyjna symetria - wówczas cała materia, która powstała w Wielkim Wybuchu, po prostu anihilowałaby z antymaterią, co w uproszczeniu oznacza jej destrukcję. A wtedy nie powstałyby gwiazdy, planety, ani… międzynarodowe zespoły naukowców próbujących zrozumieć, jak to wszystko działa. Jakby nie patrzeć - świat byłby nieco mniej ciekawym miejscem.

W naukowym świecie powstało więc podejrzenie, że prawa fizyki dla materii i antymaterii są nieco inne. Dlatego też naukowcy szukają śladów asymetrii między cząstkami i ich antymaterialnymi odpowiednikami. „Wcześniej odkryto już, że łamanie symetrii faktycznie zachodzi w przypadku kwarków. Efekt ten jest jednak za słaby, aby wyjaśnić, dlaczego istniejemy” - tłumaczy uczestniczka eksperymentu T2K dr hab. Justyna Łagoda z NCBJ.

Naukowcy wzięli więc na warsztat neutrina - po fotonach są to najpowszechniejsze we Wszechświecie cząstki. Porównywali oscylacje tych cząstek z oscylacjami antyneutrin - ich odpowiedników ze świata antymaterii. A w czasie oscylacji cząstki spontaniczne zmieniają swój rodzaj, np. neutrina mionowe stają się elektronowymi.

Nasze badania wskazują, że dla neutrin prawdopodobieństwo przemiany z mionowych w elektronowe jest wyższe, niż dla antyneutrin. A tzw. symetria CP jest tam łamana w najwyższy możliwy sposób. Już bardziej złamać się jej tam nie da” - relacjonuje dr Łagoda.

Są to wnioski analizy danych z eksperymentu, który trwał od ponad dekady.

Neutrina to jedne z najpowszechniejszych we Wszechświecie cząstek (po fotonach). Powstają w reakcjach jądrowych - np. w gwiazdach, w akceleratorach cząstek czy reaktorach jądrowych. Są bardzo lekkie, prawie nie oddziałują z innymi cząstkami i nie tworzą z nimi układów związanych - jak ma to np. miejsce w przypadku kwarków czy elektronów. Neutrina przenikają przez ciało człowieka, nie oddziałując z jego tkankami. „Możemy stanąć w wiązce neutrin i nic nam się nie stanie” - mówi dr Łagoda.

Zdarza się jednak, że maleńkie neutrino raz na biliony przypadków zderzy się z inną cząstką. Analizując cząstki, które powstaną w takim zderzeniu - można dowiedzieć się czegoś również o neutrinach.

Dlatego naukowcy wpadli na pomysł dość szalonego doświadczenia - eksperymentu T2K - „Tokai to Kamioka”. W ośrodku J-PARC pod miejscowością Tokai na wschodzie Japonii produkowane są neutrina i wypuszczane są pod ziemią, przez skały, w stronę Kamioki, która leży na zachodzie Japonii - ok. 300 km dalej. Tam z kolei kilometr pod ziemią znajduje się detektor Super-Kamiokande. Jego częścią jest ogromny zbiornik z wodą o średnicy 40 m i 40 m wysokości. Na co dzień w jego wnętrzu jest całkiem ciemno, a w ciemność tę skierowane są tysiące fotopowielaczy, które wychwycą nawet pojedynczy foton. Taki foton może być bowiem śladem po zderzeniu neutrina z cząsteczką wody.

Chociaż przez Super-Kamiokande ciągle przelatuje strumień neutrin z J-PARC, maleńkie rozbłyski są tam rzadkością. Jeśli już jednak rozbłysk jest zarejestrowany - można zbadać, skąd się wziął i dojść do informacji o samym, związanym z nim neutrinie: skąd przybyło, i czy jest to neutrino mionowe - czy elektronowe (to dwa z trzech możliwych „zapachów”, czyli rodzajów neutrin).

Kilka lat temu dzięki eksperymentowi T2K udało się przyłapać neutrina na ich szaleństwach i stwierdzić, że neutrina mionowe wypuszczane z Tokai stają się czasem po drodze neutrinami elektronowymi. Fizycy byli jednak bardzo ciekawi, czy takich samych „szaleństw” dopuszczają się antyneutrina. Wydawało się, że nie powinno być tu żadnych różnic. A jednak - okazało się, że różnice występują. I to są całkiem duże. To ważna uzyskana w eksperymencie wskazówka: że zjawiska, które zachodzą w materii, przebiegają inaczej, niż w antymaterii.

Choć badania trwają od lat, to naukowcy zaznaczają, że wciąż jest za wcześnie, by mówić o „odkryciu”. Do tego potrzebne jest kolejne potwierdzenie - analiza jeszcze większej liczby danych o oscylacji neutrin i antyneutrin. Do tego zaś trzeba uruchomić nowy eksperyment - HyperKamiokande. Pozwoli on rejestrować w krótszym czasie znacznie więcej neutrin. Budowa nowego eksperymentu dopiero jednak ma ruszyć.

Eksperyment T2K został zaprojektowany i zbudowany (oraz jest obsługiwany) dzięki międzynarodowej współpracy około 500 naukowców z 68 instytucji z 12 państw (Francji, Hiszpanii, Japonii, Kanady, Niemiec, Polski, Rosji, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii, Wietnamu, Włoch i Stanów Zjednoczonych). Polscy fizycy są wszechstronnie zaangażowani w działalność eksperymentu T2K, począwszy od budowy i obsługi aparatury pomiarowej, poprzez rozwijanie oprogramowania, zbieranie danych, prowadzenie analiz, aż po przewodniczenie grupom roboczym i udział w komitetach doradczych i zarządzających współpracą.

Więcej informacji o eksperymencie T2K można znaleźć na stronie http://t2k-experiment.org

PAP, mw