Как призрачните неутрино могат да обяснят загадката на материята на Вселената (видео)

Отговорът на една от най-големите загадки на Вселената може да се сведе до една от най-малките и призрачни частици.

Материята е често срещана в космоса. Всичко около нас - от планетите, звездите и кученцата - е съставено от материя. Но материята има и противоположна страна: антиматерията. Протоните, електроните и другите частици имат аналози от антиматерия: антипротони, позитрони и др. Но по някаква причина антиматерията се среща много по-рядко от материята - и никой не знае защо.

Физиците смятат, че Вселената се е родила с равни количества материя и антиматерия. Тъй като аналозите на материята и антиматерията анихилират при контакт, това предполага, че Вселената е трябвало да завърши само с енергия. Нещо трябва да е нарушило баланса.

Някои физици смятат, че леките субатомни частици, наречени неутрино, могат да дадат отговор на този въпрос. Тези частици са изключително миниатюрни, с маса, по-малка от една милионна част от тази на електрона.

Те се образуват при радиоактивни разпади, на Слънцето и в други космически среди. Известни с ефирната си склонност да избягват улавяне, неутрино са си спечелили прозвището "частици-призраци".

И макар да имат абсурдно малки маси и са способни да преминат през цялата земя, без да оставят следа, има повече неутрино от всяка друга частица с маса, за която знаем.

Тези призрачни частици, за които първоначално се е смятало, че нямат никаква маса, имат добър опит в създаването на научни изненади.

Сега изследователите изграждат огромни детектори, за да разберат дали неутриното може да помогне за разрешаването на загадката на материята на Вселената. Експериментът Хипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande) в град Хида, Япония, и Дълбокият подземен неутринен експеримент (Deep Underground Neutrino Experiment) в град Лийд в Южна Дакота, ще изследват неутрино и техните аналози от антиматерия - антинеутрино. Учените подозират, че разликата в поведението на неутриното и антинеутриното може да подскаже произхода на дисбаланса между материя и антиматерия.

Как неутриното може да разкрие защо Вселената съдържа изобщо нещо?

Оказва се, че за да се създаде днешната материя, първо трябва да се създаде допълнителна антиматерия.

Ето как учените смятат, че това може да се е случило.

Те предполагат, че е имало тежки неутрино, които се разпадат на частици антиматерия по-често, отколкото се разпадат на частици материя.

Оттук нататък е започнал физичен процес, наречен сфалерон, възможен само в новообразувана вселена. Процесът на сфалерон превръща новообразувания излишък от антиматерия в излишък от материя, по-конкретно кварки - видът частици, които изграждат протоните и неутроните.

И така, ако обобщим, тежките неутрино създават допълнителна антиматерия. След това тази допълнителна антиматерия се превърна в материя.

Според много физици така се е образувала изпълнената с материя Вселена, която виждаме днес.

Но учените не знаят дали това наистина се е случило.

Всичко това би се случило при твърде екстремни условия, които е невъзможно да севъзпроизведат в лаборатория.

Така че как учените могат да потвърдят тази история?

В този случай на помощ идват днешните неутрино.

Ако тежките неутрино наистина са се разпадали неравномерно на материя и антиматерия, тогава вероятно също днешните неутрино ще се държат по различен начин от техните частици антиматерия - антинеутрино.

^{По идея на Quanta Magazine}

Затова учените търсят улики в съвременните неутрино.

Изследователите се фокусират върху една от най-странните способности на неутриното: промяната на неговата идентичност.

Неутриното се предлага в три варианта (или "аромата"): електронно, мюонно и тау. Но тези варианти не са фиксирани. Неутриното осцилира между вариантите. Една частица може да се роди като електронно неутрино, но когато учените я измерят, може да открият вместо нея мюонно неутрино.

_{Илюстрация на превръщане на мюонно неутрино в електронно неутриното, а след това пак в мюонно. Източник: Physicsworld.com}

Учените искат да измерят колко често неутриното осцилира и да го сравнят с осцилациите на антинеутриното.

Ако те не съвпадат, това означава, че физиката има различен подход към неутриното и антинеутриното. Това несъответствие между материя и антиматерия е нещо, което физиците наричат нарушаване на зарядната четност или CP нарушение, и е важно за това как материята е започнала да доминира във Вселената.

^{Източник: Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine}

Детекторите

За да уловят достатъчно от тези призрачни частици, за да сравнят как неутриното и антинеутриното осцилират, физиците строят гигантски детектори.

_{Схема на неутринния експеримент DUNE. Кредит: DUNE} 

Дълбокият подземен неутринен експеримент или DUNE в стара мина в Южна Дакота ще забелязва неутрино, взаимодействащо с течния аргон в детектора, което ще позволи на учените да определят ароматите.
В крайна сметка DUNE планира да използва толкова голям детектор, че течността в него би могла да запълни близо 20 олимпийски плувни басейна.

_{Подземната обсерватория Супер-Камиоканде, предшественикът на Хипер-Камиоканде. Кредит: Super-Kamiokande}

Друг детектор за неутрино, наречен Хипер-Камиоканде в Япония също ще бъде огромен и ще бъде запълнен с 260 000 тона вода. Той ще бъде облицован с 40 000 светлинни сензора, които ще забелязват слаби проблясъци при взаимодействието на неутриното с водата.

И двата детектора се изграждат дълбоко под земята, като се използва почвата отгоре, за да се филтрират други частици, които могат да попречат на измерванията.

Ускорителите на частици ще създават снопове неутрино, които ще бъдат изпращани през стотици километри, което ще им даде достатъчно време да осцилират. Учените ще сравнят осцилациите на неутриното с тези на антинеутриното, изпратено по същия път. Ако осцилациите на неутриното и антинеутриното не съвпаднат, това е намек, че историята за тежкото неутрино може да е вярна.

Източник: How ghostly neutrinos could explain the universe’s matter mystery, Science News

Още по темата

11/04/2018

Физика

Странното неутрино все още не може да обясни загадката на материята

04/08/2016

Физика

Неутриното е толкова леко, защото някой прекалено тежък е седнал от другата страна на люлката (видео)

10/10/2015

Физика

Нобелови награди 2015: Най-голямата награда за най-малката частица

14/05/2015

Физика

Симетрия на зарядите. CP-инвариантност