W prestiżowym czasopiśmie naukowym „Nature” opublikowane zostały wyniki badań prowadzonych przez międzynarodowy zespół naukowców w ramach eksperymentu neutrinowego Tokai-to-Kamioka (T2K). Trwające kilka lat pomiary i ich analizy wykazały najsilniejsze jak dotąd ograniczenia na parametr opisujący łamanie symetrii między materią a antymaterią w oscylacjach neutrin. Odkrycie ma pomóc zrozumieć między innymi, dlaczego we Wszechświecie jest zdecydowanie więcej materii niż antymaterii i z czego wynika różnica praw fizyki rządzących cząstkami i antycząstkami.
W eksperymencie T2K biorą udział fizycy z grupy badawczej „Fizyka jądrowa” Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, kierowanej przez prof. dr. hab. Jana Kisiela.
Materia i antymateria
Dla większości zjawisk prawa fizyki dostarczają symetrycznego, tzn. takiego samego, opisu zachowania materii i antymaterii. Jednakże symetria ta nie jest zachowana w sposób uniwersalny. Efekt asymetrii między materią a 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 (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 w związku z tym nowego źródła łamania symetrii CP w oscylacjach neutrin, które manifestowałoby się jako różnica w mierzonych prawdopodobieństwach oscylacji dla neutrin i antyneutrin.
Tokai-to-Kamioka, czyli eksperyment T2K
Nic więc dziwnego, że fizycy od wielu lat przyglądają się zjawisku oscylacji neutrin. Jest to proces, w wyniku którego dochodzi do zmiany rodzaju neutrin lub antyneutrin z jednego rodzaju w inny – na przykład neutrina mionowe oscylują w neutrina elektronowe – co skutkuje między innymi zmianą ich właściwości.
Aby obserwować ten proces, analizowane są zderzenia wiązki protonów z akceleratora cząstek z odpowiednio zaprojektowaną tarczą. Wiązka protonów produkowana jest 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. Neutrina i antyneutrina mionowe przebywają w związku z tym określoną odległość z Tokai do Kamioka (ang. Tokai-to-Kamioka) – stąd nazwa eksperymentu T2K. Podczas tej podróży pewna ich część będzie oscylować, zmieniając swój rodzaj na odpowiednio neutrina lub antyneutrina elektronowe. Przełączając wiązkę w tryb neutrin lub antyneutrin, można oddzielnie badać ich oscylacje. W tym miejscu pojawiła się interesująca naukowców rozbieżność.
Oscylację neutrin lub antyneutrin opisuje parametr δCP. Jak wyjaśniają naukowcy, jeśli jego wartość byłaby równa 0º lub 180º, neutrina i antyneutrina zmieniałyby swój rodzaj (z mionowego na elektronowy) w czasie oscylacji w ten sam sposób, symetrycznie. Eksperyment pokazał jednak, że ów parametr może mieć wartości, które wzmacniają oscylacje neutrin lub antyneutrin, łamiąc w ten sposób symetrię CP.
– Wynik uzyskany w eksperymencie T2K jest zatem pierwszym wskazaniem na możliwość łamania symetrii CP dla leptonów, do których należą neutrina. Leptony to grupa cząstek elementarnych różna od kwarków, dla których łamanie symetrii CP zostało odkryte już wcześniej. Jednakże opisana wielkość była zbyt mała, aby mogła wyjaśnić olbrzymią asymetrię materia-antymateria, którą obecnie obserwujemy we Wszechświecie. O wiele większe możliwości interpretacyjne daje nowe odkrycie, które może pomóc odpowiedzieć na tak fundamentalne pytania, jak chociażby: dlaczego istniejemy i dlaczego składamy się z materii, a nie z antymaterii – wyjaśnia prof. dr hab. Jan Kisiel z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
Łamanie symetrii materia/antymateria w oscylacjach neutrin
Najnowsze, opublikowane właśnie wyniki badań dotyczą najsilniejszego jak dotąd ograniczenia na parametr opisujący łamanie symetrii między materią a antymaterią w oscylacjach neutrin. Po raz pierwszy, z bardzo dużym prawdopodobieństwem (na poziomie ufności 99,7%), wykluczono prawie połowę z możliwych wartości parametru δCP, odsłaniając tym samym podstawową własność neutrin, która nie została do tej pory zmierzona. Wynik ten oparty jest na danych zebranych do 2018 roku w eksperymencie T2K.
Choć wynik ten wskazuje na silną preferencję wzmocnienia dla neutrin w T2K, nie jest on całkowicie pewnym potwierdzeniem łamania symetrii 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.
– Każde nowe odkrycie w dziedzinie fizyki cząstek elementarnych, którą się zajmujemy, motywuje nas do jeszcze intensywniejszej pracy – szczególnie, gdy jesteśmy blisko odpowiedzi na tak ważne, fundamentalne pytania. Fizycy współpracujący w eksperymencie T2K kontynuują analizę zebranych danych, a
także rejestrują nowe przypadki oddziaływań neutrin. Spodziewamy się uzyskać kolejne ciekawe wyniki dotyczące m.in. poznania mechanizmu oddziaływania neutrin z materią – przekonuje dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ, członek zespołu T2K.
Eksperyment T2K ma wsparcie japońskiego Ministerstwa Kultury, Sportu, Nauki i Techniki (MEXT) oraz korzysta z ośrodków badawczych High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Institute for Cosmic Ray Research (ICRR), będącego częścią Uniwersytetu Tokijskiego. Eksperyment został zaprojektowany i zbudowany oraz jest obsługiwany dzięki międzynarodowej współpracy około 500 naukowców z 68 instytucji z 12 państw (Francji, Hiszpanii, Japonii, Kanady, Niemiec, Polski, Rosji, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii, Wietnamu, Włoch i Stanów Zjednoczonych). Prezentowany wynik otrzymano dzięki staraniom J-PARC, który dostarcza eksperymentowi T2K wysokiej jakości wiązek neutrin i antyneutrin. Więcej informacji o eksperymencie T2K można znaleźć na stronie http://t2kexperiment.org.
Polska Grupa Neutrinowa w eksperymencie T2K
Udział polskich zespołów naukowych w eksperymencie neutrinowym z długą bazą pomiarową Tokai-to-Kamioka (T2K) w Japonii rozpoczął się w roku 2006 od zaangażowania badaczy w budowę bliskiego detektora ND280 w akceleratorowym ośrodku J-PARC w Tokai. Polską Grupę Neutrinową (PGN) tworzą zespoły reprezentujące sześć instytucji naukowych:
- Uniwersytet Śląski w Katowicach,
- Instytut Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie,
- Narodowe Centrum Badań Jądrowych (Otwock/Warszawa),
- Politechnikę Warszawską,
- Uniwersytet Warszawski,
- Uniwersytet Wrocławski.
Polscy fizycy uczestniczą we wszystkich etapach realizacji eksperymentu T2K. Regularnie biorą udział w dozorowaniu zbierania danych w ośrodku J-PARC w Japonii, pełniąc m.in. odpowiedzialną funkcję kierowników zmiany. Rozwijają oprogramowanie do rekonstrukcji przypadków oddziaływań neutrin i ich analizy. Obecnie są odpowiedzialni za działanie detektora FGD (jeden z podzespołów ND280), w którym mierzone są miejsca oddziaływań neutrin. Ich precyzyjne wyznaczenie jest decydujące dla jakości danych zebranych przez detektor ND280. Miarą uznania dla pracy polskich fizyków jest powierzenie im koordynowania prac grup analizy i rekonstrukcji danych oraz regularnego reprezentowania współpracy fizyków T2K na międzynarodowych konferencjach z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Warto także podkreślić zaangażowanie zespołu w obecnie prowadzone unowocześnianie detektora ND280.
Działalność polskich grup wspierana jest przez fundusze otrzymywane z Komisji Europejskiej, Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Narodowego Centrum Nauki.
Kontakt
prof. dr hab. Jan Kisiel – jan.kisiel@us.edu.pl
dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ – arkadiusz.bubak@us.edu.pl