Истраживач са државног универзитета у Мичигену помогао је у вођењу револуционарног напора који доводи научнике ближе откривању како је свемир настао.
По први пут, два највећа светска неутрина експеримента – Т2К у Јапану и НОвА у Сједињеним Државама – комбиновали су своје податке како би постигли невиђену прецизност у проучавању неутрина, скоро невидљивих честица које испуњавају космос, али ретко ступају у интеракцију са било чим.
Њихова заједничка анализа, недавно објављена у Природануди најпрецизнија мерења до сада о томе како се неутрини мењају из једног типа у други док путују кроз свемир. Ова прекретница отвара пут будућим истраживањима која би могла продубити наше разумевање еволуције универзума – или чак довести у питање тренутне научне теорије.
Кендал Махн, професор физике и астрономије на Државном универзитету у Мичигену и ко-портпарол Т2К, помогао је у координацији сарадње. Обједињавајући снаге оба експеримента, тимови су постигли резултате до којих ни један ни други нису могли сами.
„Ово је била велика победа за наш терен“, рекао је Мах. „Ово показује да можемо да урадимо ове тестове, можемо детаљније да погледамо неутрине и да можемо успети у заједничком раду.
Зашто материја уопште постоји
Према физичарима, рани универзум је требало да садржи једнаке количине материје и антиматерије. Да је то био случај, њих двоје би се потпуно уништили. Ипак, материја је некако преживела – а немамо јасан разлог зашто.
Многи истраживачи верују да се одговор можда крије у чудном понашању неутрина, ситних честица које стално пролазе кроз нас, али ретко ступају у интеракцију. Разумевање процеса званог неутрина осцилација, где ове честице мењају „ароме“ док се крећу, могло би помоћи у објашњењу зашто је материја победила антиматерија.
„Неутрини нису добро схваћени“, рекао је постдокторски сарадник МСУ Џозеф Волш, који је радио на пројекту. „Њихове веома мале масе значе да не ступају у интеракцију веома често. Стотине трилиона неутрина са Сунца прођу кроз ваше тело сваке секунде, али ће скоро сви проћи право кроз њих. Морамо да произведемо интензивне изворе или да користимо веома велике детекторе да бисмо им дали довољно шансе да ступе у интеракцију да бисмо их видели и проучавали.“
Како експерименти раде
И Т2К и НОвА су познати као експерименти са дугом базом. Сваки шаље фокусирани сноп неутрина ка два детектора – један близу извора, а други стотинама миља далеко. Упоређујући резултате оба детектора, научници могу пратити како се неутрини мењају на путу.
Пошто се експерименти разликују по дизајну, енергији и удаљености, комбиновање њихових података даје истраживачима потпунију слику.
„Правећи заједничку анализу, можете добити прецизније мерење него што сваки експеримент може да произведе сам“, рекла је сарадница НОвА Људмила Колупаева. „По правилу, експерименти у физици високих енергија имају различите дизајне чак и ако имају исти научни циљ. Заједничке анализе нам омогућавају да користимо комплементарне карактеристике ових дизајна.“
Слагалица неутринске масе
Главни фокус студије је нешто што се зове „уређење масе неутрина“, које поставља питање који тип неутрина је најлакши. Ово није тако једноставно као вагање честица на ваги. Неутрини постоје у три масовна стања, а сваки укус неутрина је заправо мешавина тих стања.
Научници покушавају да утврде да ли распоред масе прати „нормалан“ образац (два лака и један тешки) или „обрнути“ (две тешке и један лагани). У нормалном случају, већа је вероватноћа да ће мионски неутрини постати електронски неутрини, док је мања вероватноћа да ће њихови партнери из антиматерије то учинити. Обрнуто се дешава у обрнутом обрасцу.
Неравнотежа између неутрина и њихових парњака антиматерије може значити да ове честице крше принцип познат као симетрија паритета наелектрисања (ЦП) – што значи да се не понашају потпуно исто као њихове огледалне супротности. Такво кршење би могло да објасни зашто материја доминира универзумом.
Шта показују резултати
Комбиновани резултати НОвА и Т2К још увек не указују одлучно ни на једно масовно наручивање. Ако будуће студије потврде нормалан редослед, научницима ће и даље бити потребно више података да разјасне да ли је ЦП симетрија нарушена. Али ако се обрнути редослед покаже тачним, ово истраживање сугерише да би неутрини заиста могли да наруше ЦП симетрију, нудећи моћан траг зашто материја постоји.
Ако се покаже да неутрини не нарушавају ЦП симетрију, физичари би изгубили једно од својих најјачих објашњења за постојање материје.
Иако ови резултати не решавају потпуно мистерију неутрина, они проширују оно што научници знају о овим неухватљивим честицама и показују снагу међународне сарадње у физици.
НОвА сарадња укључује преко 250 научника и инжењера из 49 институција у осам земаља. Т2К тим укључује више од 560 чланова из 75 институција из 15 земаља. Две групе су почеле да раде заједно на овој анализи 2019. године, спајајући осам година НОвА података са деценијским резултатима Т2К. Оба експеримента настављају да прикупљају нове информације за будућа ажурирања.
„Ови резултати су резултат сарадње и међусобног разумевања две јединствене сарадње, обе укључују многе стручњаке за физику неутрина, технологије детекције и технике анализе, који раде у веома различитим окружењима, користећи различите методе и алате“, рекао је сарадник Т2К Томаш Носек.
