W kwietniu międzynarodowy zespół naukowców zaangażowanych w japoński eksperyment T2K (eksperyment z dziedziny fizyki cząstek, badający oscylacje neutrin) opublikował na łamach „Nature” wyniki badań, które dotyczyły najmocniejszego jak dotąd ograniczenia na parametr opisujący łamanie symetrii między materią i antymaterią w połączeniu z symetrią na odbicie zwierciadlane w oscylacjach neutrin. Używając wiązki neutrin i antyneutrin mionowych, T2K badało, jak te cząstki i antycząstki zmieniają się, odpowiednio, w neutrina i antyneutrina elektronowe.
Parametr opisujący łamanie symetrii materia/antymateria w oscylacjach neutrin, zwany fazą δCP, może przyjmować wartości w zakresie od -180º do 180º. T2K po raz pierwszy, z bardzo dużym prawdopodobieństwem (na poziomie ufności 99,7%), wykluczyło prawie połowę z możliwych wartości parametru δCP, ukazując tym samym – nie zmierzoną do tej pory – podstawową własność neutrin.
Skomplikowane? Spróbujmy (trochę) prościej
Wyniki opublikowane w „Nature” to ważny krok w badaniach różnicy między materią i antymaterią. Dla większości zjawisk prawa fizyki dostarczają symetrycznego, tzn. takiego samego, opisu zachowania materii i antymaterii. Symetria ta nie jest jednak zachowana w sposób uniwersalny. Efekt asymetrii między materią i antymaterią jest najbardziej widoczny w obserwacjach Wszechświata, który składa się głównie z materii i bardzo niewielkiej ilości antymaterii. Uważa się, że na początku Wszechświata materia i antymateria powstały w równych ilościach. By Wszechświat osiągnął stan dominacji materii nad antymaterią, niezbędnym warunkiem było łamanie tzw. symetrii ładunkowo-przestrzennej (z ang. Charge-Parity Symmetry, CP). Jak dotąd, łamanie symetrii CP zostało zaobserwowane jedynie dla subatomowych cząstek zwanych kwarkami, jednak wielkość tego efektu jest niewystarczająca, aby wyjaśnić obserwowaną przewagę ilości materii nad antymaterią we Wszechświecie. Eksperyment T2K poszukuje nowego źródła łamania symetrii CP w oscylacjach neutrin, które manifestowałoby się jako różnica w mierzonych prawdopodobieństwach oscylacji dla neutrin i antyneutrin.
T2K używa wiązki składającej się głównie z neutrin lub antyneutrin mionowych, wytworzonej z użyciem wiązki protonów w ośrodku Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), położonym w miejscowości Tokai na wschodnim wybrzeżu Japonii. Mały ułamek tych neutrin (lub antyneutrin) jest wykrywany w odległości 295 km w detektorze Super-Kamiokande, znajdującym się pod górą w miejscowości Kamioka, blisko zachodniego wybrzeża Japonii. Kiedy neutrina i antyneutrina mionowe przebywają odległość z Tokai do Kamioka (ang. Tokai-to-Kamioka, stąd nazwa T2K), pewna ich część będzie oscylować, zmieniając swój rodzaj na odpowiednio neutrina lub antyneutrina elektronowe. Neutrina w detektorze Super-Kamiokande wykrywa się dzięki promieniowaniu Czerenkowa (tworzącemu charakterystyczne pierścienie) emitowanemu przez cząstki wybite (lub powstałe) w oddziaływaniu neutrina. Przełączając wiązkę w tryb neutrin lub antyneutrin, można oddzielnie badać ich oscylacje.
Neutrina (z)łamią symetrię?
Wyniki opublikowane w „Nature” objęły analizę danych zebranych dla wiązki neutrinowej i antyneutrinowej, odpowiadającej 1,49 x 1021 i 1,64 x 1021 protonów z akceleratora, zderzających się z tarczą. W wyniku tych zderzeń produkowane są cząstki, które rozpadając się, tworzą wiązkę neutrin bądź antyneutrin. Gdyby parametr δCP był równy 0º lub 180º, neutrina i antyneutrina zmieniałyby swój rodzaj (z mionowego na elektronowy) w czasie oscylacji w ten sam sposób. Jednak parametr δCP może mieć wartości, które wzmacniają oscylacje neutrin lub antyneutrin, łamiąc w ten sposób symetrię CP. Nawet przy braku łamania symetrii CP liczby przypadków oddziaływań neutrin i antyneutrin nie są jednak takie same ze względu na fakt, że detektor i układ wiązki składają się z materii, a nie antymaterii. By odseparować efekt δCP od zaburzających wynik efektów tworzenia wiązki i oddziaływania z materią, w analizie uwzględnia się poprawki oparte na danych zebranych z tzw. bliskiego detektora (ND280), położonego w odległości 280 m od tarczy.
T2K zaobserwowało 90 przypadków – kandydatów na neutrino elektronowe i 15 na antyneutrino elektronowe. Przy założeniu maksymalnego wzmocnienia dla neutrin (δCP = -90º) spodziewano się 82 kandydatów na neutrino elektronowe i 17 na antyneutrino elektronowe, natomiast przy maksymalnym wzmocnieniu dla antyneutrin (δCP = +90º): 56 neutrin elektronowych i 22 antyneutrina elektronowe. Dane T2K pasują najlepiej do wartości δCP bliskiej -90º, która znacząco zwiększa prawdopodobieństwo oscylacji dla neutrin. Używając tych danych, T2K wyznaczyło przedziały ufności dla parametru δCP. Zakres od -2º do 165º został wykluczony przy poziomie ufności 3σ (99,7%). Wynik ten jest jak dotąd najsilniejszym ograniczeniem na δCP. Wartości 0º i 180º są odrzucone na poziomie ufności 95%, podobnie jak to miało miejsce dla poprzedniego wyniku T2K, ogłoszonego w 2017. Sugeruje to, że w oscylacjach neutrin może być łamana symetria CP.
By wzmocnić czułość eksperymentu na możliwe efekty łamania symetrii CP, ośrodek J-PARC zwiększy intensywność wiązki protonów, a współpraca T2K unowocześni bliski detektor (ND280). Obie te modyfikacje pozwolą nie tylko na zebranie większej ilości danych, ale też zwiększenie dokładności pomiaru.
No dobrze, a co z tą nogą?
Wspierany przez japońskie Ministerstwo Kultury, Sportu, Nauki i Techniki (MEXT) eksperyment T2K korzysta z ośrodków badawczych High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Institute for Cosmic Ray Research (ICRR), będącego częścią Uniwersytetu Tokijskiego. Jest uznanym eksperymentem CERN-owskim (RE13). Został zaprojektowany i jest obsługiwany przez międzynarodową współpracę, złożoną z około 500 naukowców, zatrudnionych na co dzień w 68 instytucjach, pochodzących z 12 państw (Francji, Hiszpanii, Japonii, Kanady, Niemiec, Polski, Rosji, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii, Wietnamu, Włoch i Stanów Zjednoczonych). Są wśród nich badacze z Uniwersytetu Wrocławskiego.
– Nasz udział to praca nad generatorem oddziaływań Monte Carlo NuWro, stworzonym całkowicie we Wrocławiu. NuWro jest „laboratorium” do testowania nowych modeli teoretycznych i do opracowywania metod ich wykorzystywania w obliczeniach numerycznych – mówi prof. dr hab. Jan Sobczyk z Zakładu Fizyki Neutrin, działającego w Instytucie Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego.
Dla Sobczyka współpraca z Japończykami nie jest nowym doświadczeniem. Współpracuje z nimi od blisko dwudziestu lat.
– Pierwszy raz wyjechałem do Japonii w 2001 roku – wspomina wrocławski naukowiec. – To była konferencja NuInt, dla mnie niezwykle ważna, bo zmieniałem właśnie zasadniczo tematykę badawczą po habilitacji. Na kilka dni przed wyjazdem wpadłem w dziurę w chodniku i złamałem nogę. Determinacja była jednak tak wielka, że poleciałem, w gipsie, obolały. Potem okazało się zresztą, że lekarz na pogotowiu źle ocenił kontuzję i w ogóle nie powinienem wtedy chodzić! Efekt: noga finalnie unieruchomiona na dwa miesiące… Ale dzięki lekarskiej pomyłce poleciałem do Japonii i nawiązałem bardzo ważne kontakty, które utrzymuję do dzisiaj.
Do dzisiaj fascynuje się też neutrinami, o których niedawno tak mówił w rozmowie z dziennikarką „Gazety Wyborczej”: „Neutrina są w gruncie rzeczy bezużyteczne. Ale niech pani powie, po co malujemy obrazy? Dlaczego wystawiamy w muzeum greckie rzeźby? (…) Nie ma z nich namacalnego pożytku. Nie wiemy, po co istnieją. Ale istnieją i są na swój sposób piękne, niezwykle ciekawe. To nieuchwytne byty, najlżejsze znane nam cząstki elementarne, czyli takie, które nie posiadają już żadnych struktur wewnętrznych. (…) Teoretycznie można je wykorzystać do przekazywania informacji, ale to jest mało efektywne. Za pomocą neutrin można by też sprawdzić, czy jakiś kraj prowadzi ukryte badania nad bombą atomową – ubocznym produktem reaktorów są właśnie neutrina. No i nasze Słońce emituje mnóstwo neutrin. Dzięki temu, że je rejestrujemy, możemy potwierdzić sposób, w jaki działa. Ale zysków czy patentów z tego nie ma. Wrócę do naszej analogii z dziedziny sztuki: równie dobrze moglibyśmy zapytać greckiego rzeźbiarza, po co rzeźbi”.
Autor: Michał Raińczuk
Poznawaj Wszechświat z wrocławskimi fizykami. Zostań studentem UWr!