Дослідники зробили ще один крок ближче до розгадки однієї з найбільших загадок науки — чому Всесвіт заповнений матерією, а не нічим.
Вчені з Університету Індіани досягли значного прогресу в розумінні того, як виник Всесвіт. Їхній успіх зумовлений співпрацею двох великих міжнародних дослідницьких груп, що вивчають нейтрино, майже безмасові частинки, що нескінченно рухаються крізь простір і матерію, рідко взаємодіючи з чимось навколо. Результати дослідження, опубліковані в Nature, наближають дослідників до розгадки однієї з найглибших загадок науки: чому Всесвіт наповнений матерією, зірками, планетами та життям, а не нічим взагалі.
Цей прорив став результатом безпрецедентного партнерства двох провідних світових експериментів з нейтрино: NOvA у Сполучених Штатах та T2K у Японії. Об’єднуючи їхні дані, вчені отримують нове розуміння прихованої поведінки нейтрино та їхніх антиречовинних аналогів, потенційно розкриваючи, чому ранній Всесвіт уникнув самознищення одразу після Великого вибуху.
У кожному експерименті пучки нейтрино генеруються за допомогою потужних прискорювачів частинок, а потім спостерігаються після подолання величезних відстаней під землею. Їх виявлення є величезним викликом; з незліченних частинок лише деякі взаємодіють таким чином, що залишають вимірювані сліди. Використовуючи складні детектори та передові обчислювальні засоби, дослідники реконструюють ці рідкісні взаємодії, щоб зрозуміти, як нейтрино змінюються під час руху в просторі.
Проєкт також підкреслює багаторічний досвід Університету Індіани у фізиці елементарних частинок. Дослідники з Університету Індіани брали активну участь у розробці компонентів детекторів, інтерпретації експериментальних даних та наставництві наступного покоління вчених. Марк Мессьє, заслужений професор і завідувач кафедри фізики Коледжу мистецтв і наук Університету Індіани в Блумінгтоні, обіймає керівні посади в проєкті з 2006 року. Серед інших учасників проєкту з Університету Індіани — фізики Джон Урхайм і Джеймс Массер (почесні), професор астрономії Стюарт Мафсон (почесний) та Джонатан Карті з кафедри хімії коледжу Університету Індіани.
Крихітні частинки, величезні питання
Нейтрино є одними з найпоширеніших частинок у Всесвіті. Вони не мають електричного заряду і майже не мають маси, що робить їх надзвичайно важкими для виявлення. Але ця ж невловимість робить їх науково безцінними.
Розуміння нейтрино може допомогти пояснити одну з найбільших загадок космології: чому Всесвіт складається з матерії. Теоретично, Великий вибух мав би створити рівні частини матерії та антиматерії, які б повністю знищили одна одну; коли частинка зустрічається зі своєю дзеркальною протилежністю, обидві зникають у вибуху енергії. Але коли стався Великий вибух, щось перехилило чашу терезів, створивши більшу кількість матерії, що призвело до утворення зірок, галактик і життя сьогодні.
Фізики підозрюють, що нейтрино можуть містити відповідь. Нейтрино бувають трьох типів, або «смаків»: електронних, мюонних і тау-частинок, по суті, три версії однієї й тієї ж крихітної частинки. Нейтрино мають незвичайну здатність коливатися та переходити з одного «смаку» в інший під час подорожі крізь простор, а те, як відбуваються ці коливання, і чи відрізняються вони між нейтрино та їхніми аналогами з антиматерії, може розкрити, чому матерія перемогла антиматерію в ранньому Всесвіті.
Унікально те, що нове дослідження Nature поєднує дані двох провідних світових нейтринних обсерваторій. NOvA (експеримент NuMI Off-axis νe Appearance) надсилає пучок нейтрино крізь Землю на відстань 810 кілометрів від його джерела в Національній прискорювальній лабораторії Фермі поблизу Чикаго до 14 000-тонного детектора в Еш-Рівер, штат Міннесота. Японський T2K випускає пучок нейтрино на відстань 295 кілометрів від прискорювача J-PARC у Токаї до гігантського детектора Super-Kamiokande під горою Ікенояма.
Чому? Спільний аналіз даних обох експериментів значно покращує здатність вчених точно визначати поведінку нейтрино, завдання, яке стоїть перед дослідниками протягом десятиліть. Це важливо, оскільки, згідно з прес-релізом Nature, «Об’єднання аналізів використовує переваги взаємодоповнюючої чутливості двох експериментів і демонструє цінність співпраці». Оскільки NOvA використовує довшу базову лінію через Землю, а T2K використовує коротший, але інтенсивніший промінь, дослідники змогли перевірити свої висновки з безпрецедентною точністю.
Натяк на космічний дисбаланс
Об’єднавши свої набори даних, дослідницькі групи досягли точнішого вимірювання параметрів, що керують коливаннями нейтрино, особливо тих, що пов’язані з виявленою асиметрією між нейтрино та антинейтрино. Результати спільного дослідження зосереджені на так званій CP-симетрії (симетрії парності заряду), що відображає ідею про те, що матерія та антиматерія повинні поводитися як ідеальні дзеркальні відображення; правила фізики повинні залишатися абсолютно однаковими для обох.
Але вчені спостерігають не так, адже Всесвіт майже повністю складається з матерії, і після Великого вибуху майже не залишилося антиречовини. Результати дослідження свідчать про дисбаланс у коливаннях нейтрино та антинейтрино, що свідчить про порушення CP-симетрії. Тобто нейтрино можуть діяти інакше, ніж їхні антиречовинні близнюки, і ця натяк може бути першим кроком до пояснення, чому наш Всесвіт взагалі містить матерію.
«Ми досягли прогресу у вирішенні цього справді великого, здавалося б, нерозв’язного питання: чому є щось, а не нічого?» — сказав професор Мессьє. «І ми підготували основу для майбутніх дослідницьких програм, спрямованих на використання нейтрино для вирішення інших питань».
Ця робота підкреслює, як масштабні наукові проекти виправдовують очікування, що виходять далеко за межі фізики. Технології, розроблені для виявлення нейтрино, від високошвидкісної електроніки до передової обробки даних, знаходять застосування в промисловості. Спільне дослідження фінансується грантом Міністерства енергетики США.
«Фізика високих енергій принесла трансформаційні технологічні інновації у всіх секторах суспільства», – зазначив Мессьє. «Крім того, вчені наступного покоління занурюються в науку про дані, машинне навчання , штучний інтелект та електроніку, а потім йдуть у різні галузі з глибокими навичками, які вони отримали, намагаючись відповісти на ці справді складні питання».
Команди NOvA та T2K включають сотні вчених з понад десятка країн, що представляють глобальне партнерство, що охоплює США, Європу та Японію. Спільний аналіз підкреслює позитивні результати обміну ресурсами та досвідом вчених.
У світлі цього, серед аспірантів Інституту міжнародного університету, які зараз беруть участь у спільному дослідженні, є Рід Боулз, Алекс Чанг, Ханьї Чен, Ерін Юарт, Ханна ЛеМойн та Марія Манріке-Плата. Крім того, Мессьє та його колеги керували численними аспірантами та студентами бакалаврату Інституту міжнародного університету, які брали участь у NOvA з моменту початку експерименту у 2014 році.
Ця співпраця пропонує уявлення про те, як можуть проводитися майбутні великі експерименти з фізики елементарних частинок. Для Університету Індіани та його партнерів це відкриття відкриває шлях для досліджень, які розширюють результати спільного дослідження.
«Як фізик, я вважаю захопливим те, що таке величезне питання, як-от чому у Всесвіті є матерія, а не антиматерія, можна розбити на менші, покрокові питання», – сказав Мессьє. «Замість того, щоб бути враженими його масштабом, ми можемо насправді просунутися до відповіді на питання, чому ми тут, у Всесвіті».
Джерело: portaltele.com.ua