9 Minutės
Mokslininkai žengė reikšmingą žingsnį link vieno iš kosmologijos giluminių klausimų atsakymo: kodėl ankstyvoji Visata liko prisotinta materijos, o ne išsisklaidė į niekur. Sujungę matavimus iš dviejų pasaulio lyderiaujančių neutrino eksperimentų, tyrėjai patikslino supratimą apie šiuos „vaiduokliškus“ dalelių elgesį ir aptiko užuominas, kad neutrinai ir antineutrinai gali būti ne visiškai veidrodiniai atvaizdai vienas kito.
Kodėl neutrinai svarbūs: mažos dalelės su didžiuliu poveikiu
Neutrinai yra visur. Trilijonai jų kas sekundę praeina pro kiekvieną žmogų, tačiau jie labai retai sąveikauja su įprasta materija. Jie neturi elektros krūvio, o jų masės yra tokios mažos, kad ilgą laiką manyta, jog jos lygios nuliui. Ši klastinga prigimtis apsunkina tyrimus, tačiau gali būti kertinė siekiant suprasti, kodėl Visatoje yra daugiau materijos nei antimaterijos.
Pagal standartinę Didžiojo sprogimo (Big Bang) teoriją, Visata turėjo sukurti tokius pačius kiekius materijos ir antimaterijos. Kai materija susitinka su antimaterija, jos anihiliuoja, palikdamos tik energiją. Tačiau mūsų kosmose dominuoja materija: žvaigždės, planetos ir gyvybė egzistuoja todėl, kad pusiausvyra buvo sulaužyta. Fizikai spėja, jog tam įtakos turėjo simetrijos pažeidimas elementarių dalelių elgsenoje — ir neutrinai yra vieni pagrindinių įtariamųjų šioje mįslėje. Neutrininis CP (krūvio ir pariteto) pažeidimas gali būti vienas iš mechanizmų, sukūrusių materijos perteklių ankstyvoje Visatoje.
Paslėptos vaiduokliškų dalelių srautose mokslininkai galbūt rado užuominą, kodėl Visata neišnyko po Didžiojo sprogimo.
NOvA + T2K: kontinentų bendradarbiavimas, didinantis jautrumą
Du žymūs neutrino eksperimentai — NOvA Jungtinėse Valstijose ir T2K Japonijoje — neseniai sujungė savo duomenų rinkinius, kad padidintų gebėjimą patikrinti, ar neutrinai pažeidžia CP simetriją. CP simetrija reiškia, jog fizikiniai dėsniai turėtų traktuoti daleles ir antidales kaip veidrodinius atvaizdus. Jeigu neutrinai pažeidžia CP simetriją pakankamai stipriai, tai gali padėti paaiškinti materijos ir antimaterijos disbalansą Visatoje.
NOvA siunčia neutrininį spindulį 810 kilometrų nuo Fermilabo netoli Čikagos iki 14 000 tonų talpos detektoriaus Ash River, Minesotoje. T2K paleidžia neutrinus 295 kilometrų nuo J-PARC greitintuvo Tokajuje iki Super-Kamiokande detektoriaus po Ikenoyama kalnu. Ilgesnis NOvA bazės atstumas (long baseline) ir intensyvus, trumpesnis T2K spindulys suteikia papildomų ir kartu besidubliuojančių jautrumo komponentų: skirtingi keliai ir detektoriai skirtingai reaguoja į osciliacijų bangavimus ir materijos efektus, todėl bendras duomenų analizavimas yra galingesnis nei atskiras kiekvieno eksperimento rezultatas.
Sujungus NOvA ir T2K duomenis padidėja jautrumas CP fazei (δCP), masių skirtumams (Δm²) ir mišrios kampų (θ12, θ13, θ23) reikšmėms nustatyti. Toks duomenų sinergijos panaudojimas yra pavyzdys, kaip tarptautinis bendradarbiavimas gali išimti daugiau informacijos iš jau egzistuojančių matavimų ir taip paspartinti fizikos pažangą.
Kaip eksperimentai aptinka šnabždesį audroje
Neutrino aptikimas primena bandymą išgirsti vieną šnabždesį pilname stadione: dauguma neutrinų tiesiog praeina pro detektorius be pėdsakų. Tiek NOvA, tiek T2K sukuria kontroliuojamus neutrino spindulius naudodami galingus dalelių greitintuvus. Spinduliai praeina per šimtus kilometrų žemės kol pasiekia didžiulius detektorius, sukurtus užfiksuoti retos sąveikos tarp neutrino ir atomo branduolio, kuri palieka matomą signalą.
Detektorių technologijos skiriasi: NOvA naudoja dideles moduliuotas skysčio-scintiliatoriaus struktūras, o Super-Kamiokande yra milžiniškas vandens Čerenkovo detektorius, aprūpintas šimtais fotomultiplikatorių. Tokie skirtingi metodai leidžia fiksuoti skirtingus signalus — „muono“ ar „elektrono“ tipo įvykio ženklus — kurie interpretuojami naudojant sudėtingą rekonstrukciją ir statistinę analizę.
Mokslininkai klasifikuoja neutrinus pagal skonį — elektroninį, muoninį ir tauoninį — nes neutrinai gali osciliuoti: kelionės metu jie keičia savo skonį. Būtent matuojant, kiek dažnai muoninis neutrinas pasirodo kaip elektroninis neutrinas (ir ar ši tikimybė skiriasi tarp neutrinų ir antineutrinų), tiesiogiai tikrinama CP simetrijos pažeidimo galimybė neutrininėje srityje. Tokie matavimai reikalauja itin griežtos sisteminės kontrolės: energijos rekonstrukcijos, foninių procesų modelių, neutrino sklaidos ir sąveikų branduolyje supratimo.
Užuomina apie disbalansą: ką parodė bendra analizė
Bendras tyrimas, paskelbtas žurnale Nature, panaudojo NOvA ir T2K statistinę galią, kad susiaurintų neutrininės osciliacijos parametrų neapibrėžtumus. Rezultatai rodo skirtumus neutrinų ir antineutrinų elgesyje — tai gali būti CP pažeidimo ženklas. Nors įrodymai dar nėra galutiniai ir nepasiekia konvencinio 5 sigma lygio, modelio pasikartojimas abiejuose nepriklausomuose eksperimentuose sustiprina hipotezę, kad neutrinai gali prisidėti prie materijos išlikimo po Didžiojo sprogimo.
Indiana universiteto profesorius Mark Messier, vadovavęs IU dalyvavimui nuo 2006 metų, pažymėjo šį pasiekimą kaip reikšmingą pažangą sprendžiant anksčiau neįveikiamai atrodžiusią problemą: „Mes žengėme žingsnį į priekį sprendžiant šį tikrai didelį, tariamai neįveikiamą klausimą: kodėl yra kažkas, o ne nieko?“ Jo grupės indėlis apima detektorių dizainą, duomenų interpretaciją ir studentų mokymą, kurie padėjo vykdyti bendrą analizę.
Statistinė interpretacija apima tikimybių tankio kontūrus ir tikimybės santykio (likelihood ratio) metodus, Monte Karlo simuliacijas, sisteminių klaidų įvertinimus ir hibridines globalias atitikimo procedūras. Tokie pažangūs statistiniai įrankiai leidžia atskirti tikras fizines signalas nuo instrumentinių ar modelinių artefaktų ir taip pateikti tvirtesnius išvadas apie δCP intervalo tikimybę.
Mokslinis kontekstas: CP pažeidimas ir materijos–antimaterijos mįslė
CP pažeidimas jau yra pastebėtas kvarkų sektoriuje, ypač B mezonų sistemoje, tačiau jo lygis yra per mažas, kad paaiškintų matomą Visatos materijos dominavimą. Jei neutrinai pažeidžia CP simetriją žymiai stipriau, jie galėtų suteikti papildomą asimetriją, reikalingą ankstyvajame Visatos etape. Ši mechanika gali būti susijusi su leptogenezės teorija — proceso, kuriame neutrininė fizika sukuria leptonų asimetriją, vėliau pernešamą į baryoninę (materijos) asimetriją per standartines arba ekstenzijuotas viršijimo reakcijas.
Šių idėjų patikrinimui reikia itin tikslių osciliacijos parametrų matavimų: mišrios kampų (θ12, θ13, θ23), masių kvadratinių skirtumų (Δm21², Δm32²) ir CP pažeidžiamos fazės (δCP). Bendra NOvA–T2K analizė sugriežtina galimų δCP verčių intervalą ir gerina globalų tinkamumą neutrino duomenims, taip nukreipdama būsimas eksperimentines strategijas bei optimizuojant keistus parametrus DUNE ir Hyper-Kamiokande projektams.
Be to, svarbu atsižvelgti į neutrininio masių hierarchijos (normal or inverted ordering) įtaką oscilacijų interpretuotei — kai kurie δCP intervalai dera tik su tam tikra masių hierarchija, todėl globalios analizės kartu su atmosferiniais ir reaktoriniais duomenimis yra būtinos, kad būtų išspręstos likusios nenustatytos neutrininės savybės.
Indiana universiteto vaidmuo ir tarptautinė partnerystė
Indiana universiteto mokslininkai atliko svarbų vaidmenį bendradarbiaujant, prisidėdami prie aparatūros, programinės įrangos ir analizės procedūrų. IU fizikai — įskaitant Mark Messier, Jon Urheim, James Musser (emeritus), Stuart Mufson (emeritus) ir Jonathan Karty — padėjo projektuoti detektorių komponentus ir interpretuoti subtilias duomenų ypatybes. Magistrantai ir doktorantai bei postdokai iš IU, tokie kaip Reed Bowles, Alex Chang ir kiti, yra naujosios kartos tyrėjai, kurie formuoja gebėjimus mašininio mokymosi, didžiųjų duomenų analizės ir instrumentacijos srityse.
Dideli neutrino projektai, kaip NOvA ir T2K, yra tarptautinės pastangos: šimtai mokslininkų iš daugiau nei dešimties šalių sujungė kompetenciją, kad įvykdytų bendrą analizę. Finansinė ir infrastruktūrinė parama iš JAV Energetikos departamento (U.S. Department of Energy) ir kitų tarptautinių agentūrų atspindi, kaip resursų koncentracija leidžia pasiekti mokslo proveržius, kurių pavieniui atlikti būtų sudėtinga.
Technologiniai perliukai ir personalo rengimas
Aukštos energijos fizika skatina technologines inovacijas. Pažanga greitos elektronikos, preciziškų detektorių medžiagų bei didelio masto duomenų tvarkymo srityse, sukurtos neutrino eksperimentams, dažnai pritaikomos medicininėje vaizdinėje diagnostikoje, telekomunikacijose ar pramonėje. Be to, studentai, dalyvaujantys šiuose projektuose, įgyja vertinamų įgūdžių duomenų moksle, dirbtiniame intelege ir sistemų inžinerijoje, kurie yra paklausūs tiek akademinėje, tiek pramoninėje srityje.
Skaitmeninės infrastruktūros, pažangūs skaičiavimo klasteriai ir bendrosios duomenų katalogizavimo praktikos, išvystytos per tokius projektus, prisideda prie platesnės mokslo ekosistemos, skatindamos duomenų dalijimąsi, atvirą mokslą ir tarptautinį bendradarbiavimą.
Ką toliau: didesni detektoriai ir gilesni klausimai
Bendrą NOvA–T2K analizę galima vertinti kaip kertinį akmenį, pasiruošiantį didesniems ateities bandymams. Artėjantys projektai — išskirtinai DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) Jungtinėse Valstijose ir Hyper-Kamiokande Japonijoje — pasiūlys dar didesnius detektorius, ilgesnius bazinius atstumus ir intensyvesnius spindulius, siekdami išmatuoti δCP su daug didesniu tikslumu. Jeigu ateities rezultatai patvirtins stiprų CP pažeidimą neutrinuose, tai privers perrašyti mūsų supratimą apie ankstyvąją Visatą ir pateiks patikimą kelią materijos kilmei paaiškinti.
Be to, DUNE jautrumas taip pat leidžia ieškoti kitų naujos fizikos požymių: protonų stabilumo paieškų, aukštos energijos supernovų neutrino signalų ir galimų egzotinių sąveikų. Tokie daugiafunkciai eksperimentai suteiks galimybę patikrinti hipotezes, kurios jungia partikinę fiziką su astrofizika ir kosmologija.
Eksperto įžvalga
„Ši bendra analizė yra būtent toks laipsniškas, bet lemiamas žingsnis, kuris juda lauką pirmyn,“ sakė dr. Elena Vargas, neutrinu fizikos specialistė viename pagrindinių tyrimų institutų. „Mes dar nesame pasiekę 5 sigma atradimo lygio, bet susiaurinus parametrų erdvę, kitoji eksperimentų karta gali tiksliau suprojektuoti savo detektorius ir matavimo strategijas. Jei neutrinai yra trūkstama dedamoji, atsakinga už materijos dominavimą, per ateinantį dešimtmetį turėtume pamatyti įtikinamus įrodymus.“
Dr. Vargas taip pat pridūrė, kad tarp-eksperimentinis bendradarbiavimas stiprina bendruomenės gebėjimus skaičiavimų, kalibracijos ir duomenų kokybės valdymo srityse, kurie bus esminiai DUNE ir Hyper-Kamiokande visuotinei veiklai prasidėjus.
Kodėl tai svarbu už ribų pažangiosios fizikos
Atpažinus mechanizmą, sukėlusį kosminį materijos perteklių, atsakoma egzistenciniam klausimui: kodėl yra kažkas, o ne nieko? Už filosofinių implikacijų, didelio masto fizikos projektų praktinės naudos sklinda plačiai: naujos technologijos, duomenų infrastruktūra ir kvalifikuotas personalas prisideda prie platesnių mokslinių ir ekonominių ekosistemų.
Kol kas neutrino istorija išlieka dar nepilnai užrašyta. NOvA ir T2K komandos parodė, kaip tarptautinis bendradarbiavimas ir kruopšti bendra analizė gali praplėsti mokslo pasiekiamumą. Nors jų rezultatai dar neužbaigia bylos, jie pateikia vieną aiškiausių iki šiol užuominų, kad neutrinai gali paaiškinti, kaip materija tapo dominuojančia Visatoje ir suteikti svarbių krypčių ateities tyrimams apie CP pažeidimą, neutrininę masių hierarchiją ir leptogenezės mechanizmus.
Šaltinis: scitechdaily
Palikite komentarą