Когда Вселенная родилась, около 14 миллиардов лет назад, она создала материю и антиматерию, которые уничтожают друг друга при встрече. Частицы антиматерии той же массы, что и частицы материи, но их электрические заряды противоположные. Самый известный пример – это электрон (обычная отрицательно заряженная частица) и позитрон (положительно заряженная частица). Но если в самом начале существовали материя и антиматерия, то почему потом осталась только материя? Этот вопрос – одна из определяющих загадок физики. На протяжении десятилетий теоретики придумывали потенциальные решения, большинство из которых предполагали существование во Вселенной дополнительных, неизвестных частиц. Но каким бы ни был окончательный ответ, ученые считают, что сделали шаг к окончательному пониманию одной из величайших тайн Вселенной: почему она вообще существует.

Исследователи обслуживают массивный детектор Super Kamiokande с надувных лодок.

Физики из Японии обнаружили призрачные частицы, которые могут нарушать симметрию материи и антиматерии во Вселенной.

Война материи и антиматерии

Группа ученых из Японии опубликовала исследование в журнале Nature об обнаружении фундаментальных частиц, которые могут отвечать за неравномерное распределение материи и антиматерии во Вселенной. Согласитесь, было бы логично предположить, что если бы при рождении Вселенной появилось одинаковое количество частиц и античастиц, то они бы просто уничтожили друг друга. В таком случае нас с вами и космоса как такового не существовало бы. Но мы существуем, а значит, этого не произошло.

Как полагают авторы исследования, существование Вселенной оказалось возможным потому, что вещество немного превысило количество антивещества. Грубо говоря, всего одна частица на миллиард пар частица-античастица изменила все. Это нарушение симметрии между материей и антиматерией называется барионной асимметрией. Благодаря огромному протонному ускорителю и 9 годам изучения данных о проведенных экспериментах, ученые смогли раскрыть самое убедительное на сегодня доказательство того, что причиной асимметрии стало поведение нейтрино – субатомных частиц, огромный выброс которых произошел во время Большого взрыва. Когда нейтрино в конце концов распались, то согласно этой теории образовали больше побочных продуктов материи, чем антиматерии.

Причина, по которой во Вселенной больше материи чем антиматерии интересует ученых почти 100 лет

Все дело в том, что нейтрино намного легче кварков и проходят сквозь космос практически не останавливаясь для взаимодействия с чем-либо вообще. Но так как существуют материя и антиматерия, существуют как обычные нейтрино, о которых мы знаем, так и чрезвычайно тяжелые нейтрино. Эти частицы настолько гигантские, что могли быть созданы только из огромных энергий и температур, присутствующих сразу после Большого Взрыва, когда Вселенная была очень горячей и плотной.

Неизбежный распад этих частиц на более мелкие и более стабильные виды, мог привести к чуть большему количеству материи, чем побочные продукты антиматерии, что и привело бы к существующему устройству нашей Вселенной, – пишет Scientific American.

Эксперимент Tokai to Kamioka

Результаты эксперимента под названием Tokai to Kamioka (T2K) показали, что существует 95% вероятность того, что нейтрино распадаются на неравномерную долю материи и антиматерии.

Важно отметить, что подавляющее большинство частиц нейтрино или антинейтрино проносятся сквозь землю, словно нашей планеты не существует. Кстати, именно за эту способность нейтрино и называют призрачными частицами.

В ходе эксперимента ученые наблюдали нейтрино, когда те проносились 295 километров под землей и меняли свой сорт – это своеобразная способность нейтрино, называемая нейтринной осцилляцией. Подземный детектор в лаборатории города Камиока в Японии представляет собой резервуар, заполненный 55 000 тоннами чистой воды. Когда нейтрино взаимодействует с нейтроном в резервуаре, в результате может родиться мюон (неустойчивые элементарные частицы с отрицательным электрическим зарядом) или электрон. Именно этот переход мюонных нейтрино и мюонных антинейтрино в их «зеркальные» формы – электронные нейтрино и электронные антинейтрино интересовал ученых. Подробнее о том, что такое мюоны и какими еще способами ученые ищут нейтрино, читайте в нашем материале.

Полностью частицы нейтрино человечество пока не может изучить

Однако для точного измерения того, насколько сильно отличаются нейтрино и антинейтрино, потребуются дополнительные данные и, возможно, будущие эксперименты. Важно понимать, что полностью решить проблему космической антиматерии ученые не смогут. Дело в том, что для решения этого фундаментального вопроса необходимо еще одно требование: нейтрино и антинейтрино должны быть одним и тем же веществом. Но как такое возможно?

Считается, что материя и антиматерия идентичны, за исключением обратного электрического заряда. Нейтрино, не имея заряда, могут быть и тем и другим одновременно.

Если такая возможность действительно существует, то она может объяснить, почему нейтрино так легки – меньше одной шестимиллионной массы электрона. А если нейтрино и антинейтрино – это одно и то же, то они могут получить массу не за счет взаимодействия с полем Хиггса (которое связано с бозоном Хиггса), как это делает большинство частиц, а за счет нейтринной осцилляции. Это своего рода качели, которые позволяют призрачным частицам меняться – когда одна поднимается, другая опускается, и так далее. Однако полученные исследователями данные все еще нужно перепроверить. К тому же пока не известно, насколько они соответствуют наблюдаемому расхождению количества частиц и античастиц. И все же, невозможно не испытывать трепет, постепенно разгадывая тайны Вселенной. Согласны?