Физики подобрались к разгадке тайны барионной асимметрии Вселенной

Физики раскрыли главную тайну Вселенной

Недавно международная группа физиков, в которой есть и российские ученые, вплотную подобралась к разгадке тайны барионной асимметрии Вселенной. Оказывается за то, что вещество сейчас доминирует над антивеществом, следует благодарить нейтрино. Именно их поведение привело к тому, что исходно частиц образовалось во много раз больше, чем их антиподов.

Фото:

Одной из самых интригующих загадок физики прошлого (да и нынешнего) века является барионная асимметрия Вселенной. Напомню, что это значит: согласно расчетам, после образования Вселенной вещества и антивещества в ней должно было быть поровну. Однако сейчас такого не наблюдается — вещества явно больше. Куда же в таком случае исчезла значительная часть антивещества и почему вообще так получилось?

Можно, конечно допустить, что со временем "лишнее" антивещество просто аннигилировало, столкнувшись с частицами вещества, однако вряд ли так было на самом деле — ведь в результате широкомасштабной аннигиляции вещество тоже должно было бы исчезнуть с выделением чудовищного количества энергии. Ну, а по другому антивещество никак не могло пропасть — оно хоть и носит гордую приставку "анти", однако действие законов сохранения на него тоже распространяется.

И вот недавно ученые смогли немножко приблизиться к разгадке этой тайны. Собственно говоря, немного света на данную загадку пролили эксперименты, которые проводили физики из России, США, Чехии и КНР в лаборатории Дайя-бэй, что в полусотне километров к северу от Гонконга. Хотя, откровенно говоря, исходные цели и задачи у этой группы были несколько иными. Дело в том, что ученые из Института физики высоких энергий АН КНР, Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли и Брукхэвенской национальной лаборатории (обе — США), а также специалисты российского Объединенного института ядерных исследований в Дубне просто-напросто занимались исследованием нейтринных осцилляций.

Как мы помним, под этим термином подразумевается процесс превращения нейтрино в антинейтрино или своего же "коллегу" другого сорта (нейтрино бывают трех сортов — электронные, мюонные и таонные). Различаются они по следующему признаку: электронное нейтрино при обмене заряженным W-бозоном переходит в электрон, мюонное — в мюон, ну, а таонное соответственно — в тау-лептон. Так вот, уже достаточно давно ученые установили, что эти три разновидности нейтрино могут превращаться и друг в друга. Кстати, именно этими превращениями объясняется давно наблюдаемый феномен, а именно: недостаток электронных нейтрино в потоке таковых, идущих к нам от Солнца.

И вот, в Дайя-бэй физики работали на установке, состоящей из трех нейтринных детекторов и шести атомных реакторов, располагающихся в пятистах метрах от них. Собственно говоря, реакторы продуцировали нейтрино и антинейтрино, а детекторы их улавливали. Эта работа длилась несколько месяцев, после чего исследователи тщательно проанализировалиполученныерезультаты.Ионисразуобратиливнимание на интересныйфакт: оказывается, за все время экспериментов исчезло примерно шесть процентов электронных антинейтрино, порожденных реакторами. То есть до детекторов эти античастицы просто не долетели.

Конечно же, антинейтрино не могли исчезнуть просто так — они просто превратились в соответствующие электронные нейтрино в процессе осцилляций. Однако масштабы такого явления несколько поразили ученых. Тогда они решили вычислить так называемый угол смешивания тета-13, точнее говоря, его синус. Напомню, что углы смешивания являются математическими функциями, описывающими вероятность превращения одного сорта нейтрино в другой, а также нейтрино — в антинейтрино (их всего три и они обозначаются греческой буквой "тета" — θ₁₃, θ₁₂и θ₂₃). Собственно, угол тета-13 как раз и отвечает за осцилляцию антинейтрино, поэтому он так и заинтересовал исследователей.

И вот, после всех расчетов выяснилось, что значение sin2 (2θ₁₃) равно 0,092 ± 0,017. Нам это число кажется весьма маленьким, можно сказать, совсем незначительным, но для физиков это огромная величина, особенно если учесть, что таковое исходно предполагалось вообще равным нулю. Из этого следует только одно: вероятность превращения электронного антинейтрино в своего антипода чрезвычайно велика. Проще говоря, именно этим античастица и займется в первую очередь, как только образуется. А вот вероятность обратного перехода, наоборот, весьма и весьма низка.

Таким образом можно предположить, что барионная ассиметрия Вселенной являлась ее "врожденным" свойством. Ведь первыми частицами, которые образовались после трансформации исходной кварк-глюоновой плазмы были именно нейтрино. Не исключено, что сначала самих нейтрино и их антиподов было поровну, однако из-за большого значения угла смешивания тета-13 (а это как раз исходно заданный для частиц параметр) большая часть антинейтрино превратилась в свою противоположность. А вот обратная осцилляция из-за того же коварного тета-13 была весьма редким явлением.

Именно поэтому в нашем мире вещество стало доминировать над антивеществом, ведь столкновения и взаимодействия нейтрино в конце концов и породили все остальные частицы. Ну, а поскольку нейтрино стало больше, чем антинейтрино, то соответственно и другие частицы исходно доминировали над их антиподами. В итоге наше мироздание оказалось состоящим именно из вещества (хотя если бы оно состояло из антивещества, мы вряд ли бы сильно огорчались по этому поводу).

Тем не менее, ученые считают, что пока еще рано говорить о том, что тайна ассиметрии Вселенной разгадана. Нужно провести еще ряд экспериментов и проверить вероятность превращения других антинейтрино в свои антиподы. Только тогда можно будет с уверенностью заявлять, что одной фундаментальной загадкой мироздания стало меньше…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"