Исследователи из двух крупных нейтринных экспериментов впервые объединили свои данные, получив одни из самых точных на сегодняшний день измерений того, как нейтрино изменяются при движении. Совместный анализ, опубликованный в журнале Nature, объединяет результаты эксперимента T2K в Японии и эксперимента NOvA в США. Ученые полагают, что эти находки могут помочь ответить на один из важнейших вопросов физики: почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии.
Исследование возглавляла Кендалл Ман, профессор физики и астрономии Мичиганского государственного университета, которая также является соруководителем коллаборации T2K. Работа была поддержана Министерством энергетики США.
Исследование опирается на крупное открытие, сделанное за последние несколько десятилетий: нейтрино обладают массой и могут переходить из одного типа, или «аромата», в другой во время движения. Этот процесс, называемый нейтринными осцилляциями, в настоящее время является одним из основных способов для ученых изучать эти крошечные частицы и искать ответы на вопросы об эволюции Вселенной.
Один из главных нерешенных вопросов — почему материя вообще существует. Ученые считают, что в результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии. Если бы это произошло, они бы уничтожили друг друга, оставив после себя лишь энергию. Вместо этого материя выжила, что позволило сформироваться галактикам, звездам, планетам и жизни. Физики полагают, что нейтрино могут помочь объяснить этот дисбаланс, если они ведут себя иначе, чем их антиматериальные аналоги, — явление, известное как нарушение CP-симметрии (зарядо-четной симметрии).
«Это была большая победа для нашей области», — сказала Ман. «Это показывает, что мы можем проводить такие тесты, изучать нейтрино более детально и успешно работать вместе».
Нейтрино — одни из самых распространенных частиц во Вселенной, но их также одни из самых сложных для изучения, поскольку они редко взаимодействуют с материей. «Нейтрино изучены плохо», — сказал Джозеф Уолш, постдокторант Мичиганского государственного университета, работавший над проектом. «Их очень малая масса означает, что они не часто взаимодействуют. Сотни триллионов нейтрино от Солнца каждую секунду проходят через ваше тело, но почти все они проходят насквозь. Нам нужно создавать интенсивные источники или использовать очень большие детекторы, чтобы дать им достаточно возможностей для взаимодействия, чтобы мы могли их увидеть и изучить».
Два эксперимента, участвовавших в исследовании, применяют разные подходы к изучению нейтрино. T2K, сокращение от Tokai to Kamioka, создает пучок мюонных нейтрино на Комплексе ускорителей протонов J-PARC в Токае и отправляет его на расстояние 295 километров до детектора Super-Kamiokande в Камиоке. NOvA создает нейтринный пучок в Национальной ускорительной лаборатории имени Энрико Ферми (Fermilab) недалеко от Чикаго и отправляет его примерно на 810 километров к детектору на севере Миннесоты. В обоих экспериментах исследователи сравнивают измерения, выполненные вблизи источника нейтрино, с измерениями, зарегистрированными удаленным детектором, чтобы отследить, как частицы меняются во время своего путешествия.
Хотя T2K и NOvA предназначены для ответа на схожие научные вопросы, они используют разные энергии пучков и расстояния. Эти различия дают ученым два взаимодополняющих набора данных. Объединив их, исследователи смогли измерить свойства нейтрино точнее, чем каждый эксперимент мог сделать по отдельности.
«Проведя совместный анализ, можно получить более точное измерение, чем каждый эксперимент может дать по отдельности», — сказала Людмила Колупаева, участница коллаборации NOvA. «Как правило, эксперименты в физике высоких энергий имеют разные конструкции, даже если преследуют одну и ту же научную цель. Совместный анализ позволяет использовать взаимодополняющие особенности этих конструкций».
Совместный анализ также улучшает измерения, связанные с массами нейтрино. Ученые знают, что нейтрино существуют в трех массовых состояниях, но им до сих пор неизвестно, как эти массы распределены. Два возможных варианта называются нормальным порядком и инверсным порядком.
Исследователи не нашли четких доказательств в пользу какого-либо из порядков масс. Если будущие эксперименты подтвердят нормальный порядок, потребуется еще больше данных, чтобы определить, нарушают ли нейтрино CP-симметрию. Однако, если инверсный порядок окажется верным, объединенные результаты дают доказательства, согласующиеся с нарушением CP-симметрии. Исследование также обеспечивает самое точное на сегодняшний день измерение одной из ключевых разниц между массовыми состояниями нейтрино, помогая ученым лучше понять, как осциллируют нейтрино.
Исследователи заявили, что эти находки не решают оставшихся загадок, связанных с нейтрино. Вместо этого они предоставляют более точные измерения и более прочную основу для будущих экспериментов, которые продолжат проверять текущие теории и искать новую физику.
Сама коллаборация также была крупным международным усилием. NOvA включает более 250 ученых и инженеров из 49 учреждений в восьми странах, а T2K насчитывает более 560 участников из 75 учреждений в 15 странах. Работа над совместным анализом началась в 2019 году, объединив восемь лет данных NOvA с десятилетием наблюдений T2K. Оба эксперимента продолжают сбор данных, и исследователи уже готовят обновленные анализы.
«Эти результаты — итог сотрудничества и взаимопонимания между двумя уникальными коллаборациями — обе включают многих экспертов в области физики нейтрино, технологий детектирования и методов анализа, работающих в совершенно разных условиях и использующих разные методы и инструменты», — сказал Томаш Носек, участник коллаборации T2K.
TL;DR:
-
Ученые из экспериментов T2K (Япония) и NOvA (США) впервые объединили свои данные.
-
Совместное исследование позволило получить более точные измерения того, как нейтрино меняются, или осциллируют, при движении.
-
Исследователи надеются, что эти измерения помогут объяснить, почему во Вселенной больше материи, чем антиматерии после ее зарождения, что позволило существовать звездам, планетам и жизни.
-
Результаты не отдают предпочтение ни одному из возможных порядков масс нейтрино, но сужают круг ключевых свойств для будущих исследований.
-
Работа также демонстрирует, что объединение данных разных экспериментов может дать более точные результаты, чем каждый эксперимент по отдельности.
-
Обе коллаборации продолжают сбор данных, и уже ведется подготовка обновленных совместных анализов.
Источник: Мичиганский государственный университет, Nature
Эта статья была подготовлена с некоторой помощью ИИ и проверена редактором. В соответствии с Разделом 107 Закона об авторском праве 1976 года, этот материал используется в целях новостной журналистики. Добросовестное использование — это использование, разрешенное законом об авторском праве, которое в противном случае могло бы считаться нарушением.
Всегда имейте в виду, что редакции могут придерживаться предвзятых взглядов в освещении новостей.
Автор – Sayan Sen
