Международная коллаборация T2K (Tokai-to-Kamioka), в которую вошли и российские исследователи, опубликовала в журнале Nature результаты своих измерений, способных внести больше ясности в вопрос соотношения вещества и антивещества во Вселенной. Ученые смогли наложить новые ограничения на параметр комбинированной четности, или CP-симметрии, для нейтрино. Работа ученых была поддержана в том числе грантом Российского научного фонда.

Согласно законам физики, большая часть свойств материи и антиматерии будут симметричными. Однако эта симметрия не универсальна. Наиболее очевидна асимметрия при наблюдении распределения материи и антиматерии во Вселенной. Считается, что вначале во Вселенной было равное количество материи и антиматерии. Затем она эволюционировала до сегодняшнего состояния, когда первый тип доминирует над вторым. Чтобы это случилось, необходимо нарушение параметра комбинированной четности (CP-симметрии).

До сих пор это наблюдалось только в физике субатомных частиц — кварков, — но величина нарушения симметрии CP недостаточно велика, чтобы объяснить наблюдаемое доминирование материи над антиматерией во Вселенной. Поэтому коллаборация T2K ищет источник нарушения симметрии CP в осцилляциях нейтрино. Они измеряют вероятности осцилляций для нейтрино и антинейтрино. Разница в этом параметре для частицы и античастицы позволяет измерить нарушение CP-симметрии.

Используя пучки мюонных нейтрино и мюонных антинейтрино, физики изучили, как эти частицы и античастицы переходят соответственно в электронные нейтрино и антинейтрино. Параметр, определяющий нарушение комбинированной четности при осцилляциях нейтрино, называемый δ_CP, может принимать значение от -180 ° до 180 °. В новом наборе данных, полученном T2K, отклоняется почти половина возможных значений этого параметра при доверительной вероятности в 99,7% (3σ). Эти ограничения позволяют получить более точное значение параметра нарушения CP-симметрии и выяснить природу разного поведения нейтрино и антинейтрино.

«Результат Т2К — это первое указание на существование нового источника нарушения СР-симметрии в лептонном секторе Стандартной модели. Скорее всего, этот результат открывает принципиально новую возможность для объяснения асимметрии между веществом и антивеществом в нашей Вселенной, состоящей главным образом из материи с небольшой долей антиматерии. Это одна из удивительных загадок природы, которая пока не находит объяснения, так как теория Большого Взрыва постулирует, что при рождении Вселенной в ней образовалось равное количество вещества и антивещества», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ, заведующий отделом физики высоких энергий Института ядерных исследований РАН Юрий Куденко.

Данные эксперимента T2K показывают, что наиболее вероятным является значение δ_CP, близкое к -90 °. Этот результат представляет собой самое сильное ограничение параметра δ_CP на сегодняшний день. Хотя этот результат показывает, что, вероятнее всего, нейтрино имеют в эксперименте более высокую скорость, чем их античастицы, до сих пор неясно, нарушается ли при этом CP-симметрия. Физики планируют в ближайшее время усовершенствовать свои детекторы, в частности ближний детектор ND280, для уменьшения систематических погрешностей и накопления большего количества данных. Одновременно ведется работа по увеличению интенсивности пучка протонов от ускорителя J-PARC, который направляет пучок нейтрино в экспериментальную зону.