В результате Большого взрыва должно было образоваться равное количество материи и антиматерии, которые уничтожили бы друг друга в результате впечатляющего взрыва чистой энергии. Но этого не произошло. Новые эксперименты, направленные на понимание загадочного
нейтрино, могут дать ответы на этот вопрос.
Всё вокруг, от земли под ногами до самых отдалённых галактик, состоит из материи. Для учёных это давно представляет проблему: согласно лучшим современным теориям физиков, материя и её противоположность, антиматерия, должны были быть созданы в равных количествах во время
Большого взрыва. Но антиматерия чрезвычайно редка
во Вселенной. Так что же произошло?
Физики пока не знают ответа на этот вопрос, но многие считают, что решение должно включать в себя некоторое тонкое различие в поведении материи и антиматерии. И в настоящее время наиболее многообещающий путь в эту неизведанную область сосредоточен на новых экспериментах с участием загадочной субатомной частицы, известной как нейтрино.
«Это не значит, что нейтрино определённо являются объяснением асимметрии материи и антиматерии, но очень большая группа моделей, которые могут объяснить эту асимметрию, связана с нейтрино», - говорит Джессика Тёрнер, теоретический физик из Университета Дарема в Великобритании.
Когда физики говорят о материи, они имеют в виду обычные вещества, из которых состоит Вселенная - в основном протоны и нейтроны (которые составляют ядра атомов), а также более лёгкие частицы, такие как электроны. Хотя термин «антиматерия» звучит как научная фантастика, антиматерия не так уж отличается от обычной материи. Обычно единственное различие заключается в электрическом заряде.
Например, позитрон - первая обнаруженная частица антиматерии - имеет ту же массу, что и электрон, но несёт положительный, а не отрицательный заряд. С электрически нейтральными частицами все немного сложнее. Например, фотон считается своей собственной античастицей, но антинейтрон отличается от нейтрона тем, что состоит из антикварков, а не из обычных кварков.
В природе могут существовать различные частицы антиматерии, которые встречаются в космических лучах и грозовых облаках, а также образуются в результате определённых видов радиоактивного распада, и, поскольку люди содержат небольшое количество радиоактивного калия, они испускают крошечные количества антиматерии в виде позитронов.
Небольшие количества антиматерии также были созданы учёными в ускорителях частиц и других экспериментах, с большими усилиями и затратами, что положило конец научно-фантастическим мечтам о ракетах, приводимых в движение антиматерией, или о разрушающем планеты оружии, питаемом ею.
Когда материя и антиматерия сталкиваются, они аннигилируют, выделяя энергию в виде излучения. Такие столкновения подчиняются знаменитому уравнению
Эйнштейна - энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света - которое гласит, что можно преобразовать небольшое количество материи в большое количество энергии или наоборот.
Позитроны, испускаемые телами, имеют настолько малую массу, что остаётся незамеченным крошечное количество энергии, выделяющееся при их аннигиляции. Поскольку материя и антиматерия так легко аннигилируют, трудно создать кусок антиматерии, значительно превышающий по размеру атом.
Фото: astronomy.com
Но здесь есть загадка: если материя и антиматерия были созданы в равных количествах во время Большого взрыва, как предполагает теория, разве они не должны были аннигилировать, оставив вселенную, состоящую из чистой энергии? Почему осталась материя?
Лучшее предположение физиков заключается в том, что какой-то процесс в ранней Вселенной способствовал образованию материи, но что именно это был за процесс, остаётся загадкой, и вопрос о том, почему люди живут во Вселенной, в которой доминирует материя, является одной из самых сложных проблем во всей
физике.
Важно отметить, что физики не смогли придумать ни одного такого процесса, который бы согласовывался с современной ведущей теорией материи и энергии, известной как Стандартная модель физики элементарных частиц. Это заставляет теоретиков искать новые идеи, какую-то пока неизвестную физику, выходящую за рамки Стандартной модели. И здесь на сцену выходят нейтрино.
Нейтральный ответ
Нейтрино - это крошечные частицы без электрического заряда (название переводится как «маленький нейтральный - нейтрончик»). Согласно Стандартной модели, они должны быть безмассовыми, как фотоны, но эксперименты, начатые в 1990-х годах, показали, что на самом деле они имеют крошечную массу, по крайней мере, в миллион раз легче электронов, самых лёгких частиц среди обычной материи.
Поскольку физики уже знают, что нейтрино нарушают Стандартную модель, имея массу, они надеются, что изучение этих крошечных частиц поможет понять, что лежит за пределами Стандартной модели.
Однако нейтрино не спешат раскрывать свои секреты, поскольку они практически не взаимодействуют с другими частицами. Каждую секунду около 60 миллиардов нейтрино от
Солнца проходят через каждый квадратный сантиметр кожи человека. Если бы эти нейтрино взаимодействовали с атомами в теле, то, вероятно, уничтожили бы его.
Вместо этого они просто проходят сквозь. «Скорее всего, за всю свою жизнь вы не сможете взаимодействовать ни с одним нейтрино», - говорит Педро Мачадо, физик из Фермилаба под Чикаго. «Это просто маловероятно».
Однако эксперименты показали, что нейтрино «осциллируют» во время движения, переключаясь между тремя различными идентичностями: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино. Измерения осцилляций также показали, что нейтрино разных типов имеют слегка разные массы.
Осцилляция нейтрино - явление странное, но, возможно, полезное, поскольку оно позволяет физикам исследовать определённые фундаментальные симметрии в природе, а это, в свою очередь, может пролить свет на самую тревожную из асимметрий, а именно на дисбаланс материи и антиматерии во Вселенной.
Для исследователей нейтрино ключевой симметрией является зарядо-паритетная симметрия, или CP-симметрия. На самом деле это сочетание двух различных симметрий: изменение заряда частицы превращает материю в антиматерию (или наоборот), а изменение паритета частицы превращает её в зеркальное отражение (как превращение перчатки для правой руки в перчатку для левой руки).
Фото: astronomy.com
CP-противоположное представление частицы обычной материи является зеркальным отражением соответствующей античастицы. Но ведёт ли себя эта противоположная частица точно так же, как и исходная? Если нет, то физики говорят, что CP-симметрия нарушена - это изысканный способ сказать, что материя и антиматерия ведут себя немного по-разному. Таким образом, любые примеры нарушения CP-симметрии в природе могут помочь объяснить дисбаланс между материей и антиматерией.
Фактически, нарушение CP-симметрии уже наблюдалось в некоторых мезонах, типе субатомных частиц, обычно состоящих из одного кварка и одного антикварка, что стало неожиданным результатом, впервые обнаруженным в 1960-х годах. Но это чрезвычайно небольшой эффект, который далеко не может объяснить асимметрию материи и антиматерии во Вселенной.
В июле 2025 года учёные, работающие на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН недалеко от Женевы, сообщили о явных доказательствах аналогичного нарушения одним типом частиц из другого семейства субатомных частиц, известных как барионы. Но это недавно наблюдаемое нарушение CP, как полагают, также слишком мало, чтобы объяснить дисбаланс между материей и антиматерией.
Эксперименты на горизонте
А как же нейтрино? Нарушают ли они CP-симметрию, и если да, то настолько ли сильно, чтобы объяснить, почему люди живут во вселенной, в которой доминирует материя? Именно этот вопрос рассматривается в экспериментах по физике частиц нового поколения. Наиболее амбициозным из них является Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который в настоящее время готовится в Соединённых Штатах; сбор данных может начаться уже в 2029 году.
DUNE будет использовать самый интенсивный в мире пучок нейтрино, который будет направлять как нейтрино, так и антинейтрино из Фермилаба в подземный исследовательский центр Санфорд, расположенный приблизительно в 1288 километрах от него в Южной Дакоте.
Детекторы на каждом конце пучка покажут, как частицы колеблются при прохождении расстояния между двумя лабораториями, и отличается ли поведение нейтрино от поведения антинейтрино.
Фото: astronomy.com
DUNE не определит точное значение нарушения CP-симметрии нейтрино (если оно есть), но установит его верхний предел. Чем больше возможное влияние, тем больше расхождение в поведении нейтрино и антинейтрино и тем выше вероятность того, что нейтрино могут быть ответственны за асимметрию материи и антиматерии в ранней Вселенной.
Для Ширли Ли, физика из Калифорнийского университета в Ирвине, вопрос о нарушении CP-симметрии нейтрино является актуальным, поскольку он может подсказать путь к переосмыслению физики элементарных частиц. «Если бы я могла получить ответ на один вопрос до конца своей жизни, я бы хотела узнать, в чём он заключается», - говорит она.
Помимо того, что это само по себе важное открытие, нарушение CP-симметрии в нейтрино может поставить под сомнение Стандартную модель, указав путь к другим новым физическим явлениям.
Например, теоретики говорят, что это означало бы наличие двух видов нейтрино - левосторонних (обычных лёгких нейтрино, наблюдаемых на сегодняшний день) и гораздо более тяжёлых правосторонних нейтрино, которые пока что являются лишь теоретической возможностью. Эти правосторонние нейтрино могут быть в 1015 раз тяжелее протонов и будут нестабильными, распадаясь почти мгновенно после своего появления.
Хотя в современной Вселенной они не обнаружены, физики предполагают, что правосторонние нейтрино могли существовать в первые мгновения после Большого взрыва, возможно, распадаясь в процессе, который имитировал нарушение CP-симметрии и способствовал созданию материи, а не антиматерии.
Возможно даже, что нейтрино могут превращаться в антинейтрино и наоборот. Этот сценарий, который подтверждает открытие правосторонних нейтрино, сделал бы нейтрино принципиально отличными от более знакомых частиц, таких как кварки и электроны. Если антинейтрино могут превращаться в нейтрино, это могло бы помочь объяснить, куда делась антиматерия в самые ранние моменты существования Вселенной.
Один из способов проверить эту идею - искать необычный тип радиоактивного распада, теоретически возможный, но до сих пор не наблюдавшийся, известный как «безнейтринный двойной бета-распад».
При обычном двойном бета-распаде два нейтрона в ядре одновременно распадаются на протоны, выделяя при этом два электрона и два антинейтрино. Но если нейтрино могут действовать как свои собственные античастицы, то два нейтрино могут аннигилировать друг друга, оставляя только два электрона и всплеск энергии.
В настоящее время проводится или планируется ряд экспериментов по поиску этого процесса распада, в том числе эксперимент KamLAND-Zen в центре по обнаружению нейтрино Камиока в Японии; эксперимент nEXO в центре SNOLAB в Онтарио, Канада; эксперимент NEXT в подземной лаборатории Канфранк в Испании; и эксперимент LEGEND в лаборатории Гран-Сассо в Италии. KamLAND-Zen, NEXT и LEGEND уже запущены и работают.
Хотя эти эксперименты различаются в деталях, все они используют одну и ту же общую стратегию: они используют гигантский резервуар с плотным радиоактивным материалом и массивами детекторов, которые ищут излучение необычно энергичных электронов. Ожидаемые нейтрино-спутники электронов будут отсутствовать, а энергия, которую они должны были бы иметь, будет перенесена электронами.
Фото: astronomy.com
Хотя нейтрино остаётся одной из самых загадочных из известных частиц, оно медленно, но верно раскрывает свои секреты. По мере этого оно может разгадать загадку вселенной, в которой доминирует материя - вселенной, которая позволяет процветать таким любознательным существам, как люди. «Я думаю, что мы вступаем в очень захватывающую эпоху», - говорит Тёрнер.