Обнаружено возможное нарушение CP-симметрии в нейтринных осцилляциях

Нейтринный детектор Супер-Камиоканде во время работ по усовершенствованию установки. По мере слива воды из бака ученые и инженеры получают доступ к фотоумножителям на разных уровнях. Перемещаться приходится на лодках, а попадают внутрь детектора при помощи лебедки через люк в его крыше. В момент, запечатленный на этой фотографии, уровень воды в детекторе составлял примерно 22 м (при его высоте около 41 м). Фото с сайта www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp

На прошлой неделе в журнале Nature появилась статья международного коллектива физиков, где представлены результаты многолетних экспериментов с нейтринными пучками, которые проводились в Японии в течение 2009–2018 годов. Анализ данных, собранных коллаборацией Т2К, позволяет предположить, что впервые удалось обнаружить довольно сильное несохранение CP-симметрии (или, как ее еще называют, комбинированной четности) в нейтринных осцилляциях. Подтверждение этого вывода, если таковое будет получено, может открыть путь к лучшему пониманию причин полного доминирования материи над антиматерией в нынешней Вселенной.

Согласно общепринятым космологическим теориям, после выхода Вселенной из фазы инфляционного расширения (ее возраст составлял тогда 10⁻³⁴ сек) в ней было поровну частиц и античастиц. Затем имели место процессы, которые полностью освободили ее от антиматерии, но сохранили очень небольшую часть материи. Это привело к возникновению первичной популяции протонов, нейтронов и электронов, которые в дальнейшем стали материалом для атомов и молекул нашего мира.

В настоящее время на каждые 4 кубических метра космического пространства приходится в среднем по миллиарду квантов микроволнового реликтового излучения, одному электрону и одному протону, состоящему из трех кварков. Число нейтронов всемеро меньше, и в свободном состоянии они не встречаются. А вот позитроны, антипротоны и антинейтроны рождаются в таком малом количестве, что в космологических масштабах ими можно пренебречь. Но так было отнюдь не всегда. Как показывают результаты анализа реликтового излучения, когда возраст Вселенной приблизился к миллионной доле секунды, число кварков превышало число антикварков в пропорции одной-двух частиц на десять миллиардов. В результате такого дисбаланса аннигиляция уничтожила все антикварки, но сохранила ничтожную часть кварков, которые не нашли антипартнеров. Уцелевшие кварки объединились в протоны и нейтроны, на что потребовалось не больше четырех-пяти микросекунд. Когда возраст мироздания достиг одной секунды, аннигилировали и исчезли позитроны, пребывавшие в таком же ничтожном дисбалансе с электронами. Так Вселенная перешла в состояние, в котором реликтовая антиматерия полностью исчезла.

Андрей Дмитриевич Сахаров. Фото Юрия Роста с сайта novayagazeta.ru

Но если различия в числах кварков и антикварков (так называемой барионной асимметрии) сначала не было, то как же оно возникло? Физики и космологи спорят об этом вот уже несколько десятков лет, но до сих пор не пришли к единому мнению. Однако почти все специалисты согласны в том, что для возникновения барионной асимметрии на раннем этапе эволюции Вселенной какое-то время должны были как минимум выполняться три условия, которые впервые в 1967 году сформулировал Андрей Дмитриевич Сахаров (А. Д. Сахаров, 1967. Нарушение СР инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной). Эти условия таковы:
    1) В физических процессах на этом этапе не сохраняется барионное число.
    2) В этих процессах не соблюдаются две дискретные симметрии микромира — C-симметрия и CP-симметрия, она же комбинированная четность.
    3) Эти процессы идут с нарушением термодинамического равновесия.

Физический смысл условий Сахарова легко понять. Если Вселенная родилась с одинаковыми количествами материи и антиматерии, то барионное число (которое определяется как поделенная на 3 разность между количеством кварков и количеством антикварков) должно было строго равняться нулю. Следовательно, возникновение барионной асимметрии может иметь место лишь в том случае, если оно в дальнейшем меняется. Далее, если бы симметрия относительно зарядового сопряжения (C-симметрия) и симметрия относительно комбинации зарядового сопряжения и обращения знаков всех пространственных координат (CP-симметрия) не нарушались, то процессы с участием кварков и антикварков происходили бы совершенно одинаково, и избыточное рождение материи по сравнению с антиматерией опять-таки было бы невозможным. Третье условие на пальцах объяснить несколько сложнее, но оно тоже достаточно очевидно. Грубо говоря, при термодинамическом равновесии постепенно рассасываются все физически значимые различия, включая и различия в числах кварков и антикварков. В таких условиях избыток кварков над антикварками, даже если бы он и возник, был бы обречен на исчезновение.

Очень важно, что все три условия должны выполняться совместно. Если хотя бы одно из них не работает, возникшая барионная асимметрия неминуемо будет ликвидирована тепловыми флуктуациями.

В принципе, сахаровские условия выполняются в Стандартной модели элементарных частиц. Барионное число не сохраняется при энергиях, по порядку величины превышающих 100 ГэВ. Нарушение CP-симметрии вытекает из наличия трех поколений кварков и лептонов, оно буквально зашифровано в формальном аппарате теории. Наконец, остывание Вселенной после выхода из свехгорячего состояния — это термически неравновесный процесс. Однако, дьявол, как всегда, скрыт в деталях. Для того, чтобы теоретически объяснить нынешний дисбаланс материи и антиматерии, надо предположить, что сахаровские условия не просто соблюдаются, но, если так можно выразиться, соблюдаются с большим запасом. Например, нарушения сохранения барионного числа должны быть количественно весьма велики, и то же самое требуется от нарушений CP-симметрии. Ничего такого из Стандартной модели не вытекает. В этом и состоит ключевая проблема.

А что говорит эксперимент? Еще в 1964 году американские экспериментаторы обнаружили, что долгоживущие нейтральные К-мезоны распадаются со слабым несохранением комбинированной четности. Много позже было доказано, что в распадах нейтральных D-мезонов и B-мезонов комбинированная четность тоже не сохраняется, причем даже сильнее. Так что нарушение CP-симметрии в процессах с участием кварков (напомню, что мезоны — это кварковые структуры) давно доказано. Однако его измеренный масштаб намного меньше того, при котором можно было бы объяснить современную барионную асимметрию.

Однако сахаровская схема нуждается в расширении. Она была бы полностью адекватна, если бы для описания внутренних свойств частиц было достаточно одного барионного числа. Однако общепринятая Стандартная модель элементарных частиц оперирует и другими квантовыми числами (их еще называют зарядами). В частности, очень важную роль играет как полное лептонное число (разность между между числом лептонов и антилептонов), так и лептонные числа отдельных разновидностей лептонов, на языке физики — ароматов (это электронное лептонное число, мюонное число и тау-лептонное число). Согласно Стандартной модели, при энергиях выше приблизительно 100 ГэВ барионное число не сохраняется, однако должны сохраняться несколько его линейных комбинаций с лептонными числами. В частности, сохраняется разность между барионным числом B и полным лептонным числом L, которое есть сумма всех трех ароматных лептонных чисел. Можно показать, что если в состоянии термодинамического равновесия разность B − L отлична от нуля, то как B, так и L ей пропорциональны. Конкретно, в этом случае выполняются два равенства: B = C·(B − L) и L = (C − 1)·(B − L), где С — некоторая численная константа, лежащая между нулем и единицей.

Отсюда следует очень интересный вывод. Предположим, что в какой-то фазе ранней эволюции Вселенной не сохраняется лептонное число, то есть, возникает лептонная асимметрия. Это может произойти по разным причинам — в частности, через рождение крайне нестабильных сверхмассивных частиц определенного типа, так называемых майорановских нейтрино. Эти частицы превращаются в бозоны Хиггса и лептоны. Поскольку в таких распадах не сохраняются лептонные числа, они могут порождать больше электронов, нежели позитронов. Аналогично, количество новорожденных легких нейтрино не обязано совпадать с количеством антинейтрино. В результате у Вселенной появляется ненулевое лептонное число, которое после полного распада всех майоранов практически не изменяется. Этот процесс называется лептогенезом, или лептогенезисом (см. Leptogenesis).

Этим дело не кончается. Взаимодействие между лептонами высоких энергий, оставшимися после распада майоранов лептонами, может привести к появлению кварков и антикварков, ранее просто не существовавших. Это уже бариогенез (он же бариогенезис) — возникновение барионов, частиц, принимающих участие в сильном взаимодействии. Существуют правдоподобные сценарии, в которых дисбаланс лептонов и антилептонов оборачивается избытком кварков над антикварками, барионов над антибарионами. Такая модель была впервые описана 34 года назад в основополагающей статье двух японских физиков, получившей огромное количество ссылок (M. Fukugita, T. Yanagida, 1986. Bariogenesis without grand unification). Правда, термин «лептогенез» там отсутствует, но сути дела это не меняет.

Есть и другие сценарии бариогенеза через лептогенез — например, за счет тепловых скачков с участием так называемых сфалеронов (sphaleron). В любом случае разность B − L оказывается отличной от нуля, а следовательно, не зануляются по отдельности ни B, ни L. Не будет преувеличением сказать, что сейчас бариогенез через лептогенез — самая популярная интерпретация дефицита антиматерии в нашей Вселенной.

Коль скоро в современной (да и в куда более ранней) Вселенной есть (и была) барионная асимметрия, обязана существовать и асимметрия лептонов. Поскольку плотность электронов точно равна плотности протонов в силу электронейтральности Вселенной, лептонная асимметрия должна непосредственно проявляться в избытке реликтовых нейтрино над антинейтрино или антинейтрино над нейтрино. Ее можно было бы определить в эксперименте, если бы удалось измерить концентрации реликтовых нейтрино и антинейтрино. К сожалению, осуществление таких измерений находится за рамками возможностей современной астрофизики. Так что доказывать наличие лептонной асимметрии надо какими-то иными способами.

Такие возможности в принципе имеются. Например, существует довольно экзотический ядерный процесс, двойной бета-распад. В отличие от обычного бета-распада, в этом процессе сразу два внутриядерных нейтрона превращаются в протоны, испуская пару электронов и пару антинейтрино. Такие превращения происходят редко, но все же случаются. Теория допускает возможность безнейтринного двойного бета-распада — то есть, перескока ядра на две позиции правее по таблице Менделеева с испусканием лишь одних электронов. Если его удастся обнаружить в эксперименте, это станет прямой демонстрацией несохранения лептонного числа. Поиски двойного безнейтринного бета-распада ведутся уже много лет, но пока не привели к успеху.

Но вот другой путь — не столь прямой, но, возможно, более перспективный. Как уже говорилось, несохранение комбинированной четности в процессах с участием кварков давно обнаружено, несмотря на малость этого эффекта. CP-симметрия точно так же должна нарушаться и в лептонных процессах, однако до сих пор ничего такого не удавалось выявить ни в одном эксперименте. Если бы это получилось и, еще лучше, масштаб эффекта оказался бы значительным, то такой результат стал бы вполне реальным подверждением классической модели лептогенеза, предложенной в 1986 году.

Если верить авторам вышедшей на прошлой неделе статьи в Nature, они добились в этом определенного успеха — правда, далеко не полного. Их вывод основан на результатах многолетнего эксперимента по наблюдению нейтринных осцилляций, то есть, изменения ароматов нейтрино на пути от источника к детектору. Эти осцилляции являются прямым следствием наличия у всех разновидностей нейтрино пусть и очень малых, но ненулевых масс.

Очистка водной поверхности в детекторе Супер-Камиоканде. Фото с сайта www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp

Эксперимент, данные которого обрабатывали авторы статьи, получил название Т2К. Источником нейтрино служит центр по ускорению протонов J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), расположенный в деревне Токаи в префектуре Ибараки на острове Хонсю. Он состоит из линейного ускорителя протонов, который доводит их энергию до 400 МэВ, промежуточного синхротрона на 3 ГэВ и главного синхротрона, доводящего энергию частиц до 30 ГэВ. Во время его работы пучок высокоэнергетичных протонов большой интенсивности бомбардирует графитовую мишень. В ней рождаются различные кварковые комплексы, адроны, которые фокусируются магнитными линзами. Большую часть этих вторичных адронов составляют положительные и отрицательные пионы, которые почти со стопроцентной вероятностью распадаются на мюоны и мюонные нейтрино (положительные пионы рождают положительные мюоны и нейтрино, отрицательные — мюоны со знаком минус и антинейтрино). Затем сепарирующая аппаратура формирует пучки с преимущественным содержанием нейтрино либо антинейтрино.

Эти пучки детектируются установкой Супер-Камиоканде в подземной лаборатории Камиока, расположенной на километровой глубине под горой Икено в 295 км к западу от Токаи. Она представляет собой контейнер с 50 000 тонн сверхчистой воды с установленными в нем 13 000 фотоумножителей. По пути нейтрино претерпевают осцилляции, регистрация которых и была целью эксперимента. При столкновении с нуклонами в составе молекул воды электронные нейтрино вызывают рождение электронов, а мюонные — мюонов (а антинейтрино — соответственно, позитронов и антимюонов). Эти частицы двигаются со скоростью, превышающей скорость света в воде, генерируя черенковское свечение, которое регистрируют детекторы фотонов. Поскольку электроны и мюоны рождают различные световые вспышки, в ходе эксперимента удалось измерить числа пришедших нейтрино разных ароматов — электронных и мюонных. Сравнивая статистику полученных данных, участники коллаборации Т2К в ходе первой стадии эксперимента впервые надежно идентифицировали осцилляции мюонных нейтрино в электронные, о чем и сообщили летом 2013 года (переходы рожденных на Солнце электронных нейтрино в мюонные и тау были детектированы в канадской нейтринной обсерватории Садбери гораздо раньше, в течение 1999–2003 годов).

В обсуждаемой работе удалось сравнить интенсивность осцилляций с участием нейтрино и антинейтрино. Как было отмечено, комплекс J-PARK позволяет получать пучки с преимущественным содержанием либо мюонных нейтрино, либо антинейтрино. За все время эксперимента для рождения тех и других нейтрино было использовано 3,13×10²¹ протонов. В детекторе Супер-Камиоканде в общей сложности было зарегистрировано 90 событий с участием электронных нейтрино и только 15 с участием электронных антинейтрино. Отсюда следует, что мюонные нейтрино осциллировали в электронные в куда более высоком темпе, по сравнению с превращением мюонных антинейтрино в электронные антинейтрино. Этот результат и позволил участникам коллаборации заявить, что в этих процессах удалось зарегистрировать довольно сильное нарушение CP-симметрии. Правда, полное сохранение CP-симметрии пока удалось исключить только с 95-процентной достоверностью, что, конечно, недостаточно. В экспериментах с элементарными частицами стандартно требуется достоверность выводов на уровне 5 сигма, что соответствует 99,99994%.

Энергетические спектры нейтрино, реконструированные по энергии порожденных ими частиц. По вертикальной оси указано число частиц, по горизонтальной — энергия в ГэВ. Данные эксперимента показаны точками (вертикальные «усы» — статистические погрешности): вверху — для нейтрино, внизу — для антинейтрино. Цветные и пунктирные гистограммы показывают теоретические предсказания в различных предположениях. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Примерно на таком же уровне (конкретно, даже чуть большем, около 99,7%) экспериментаторы определили значения параметров, позволяющих оценить степень нарушения CP-симметрии в количественных терминах. Для этого в физике элементарных частиц применяют так называемый инвариант Ярлскуг, который принято обозначать J. Он назван в честь шведского физика-теоретика Сесилии Ярлскуг (Cecilia Jarlskog), которая предложила этот критерий в 1973 году. При точном соблюдении СР-симметрии J строго равен нулю, однако увеличивается по модулю при ее нарушениях. В процессах с участием кварков он приблизительно равен 3×10⁻⁵. Как показал новый эксперимент, в процессах с участием нейтринных осцилляций J несколько превышает 0,01, хотя его точное значение еще предстоит выяснить. В любом случае, даже столь грубая оценка позволяет предположить, что в этих процессах CP-симметрия нарушается намного сильнее, чем в кварковых превращениях.

Для получения более точных результатов потребуются, конечно, новые детекторы. Правда, эксперимент Т2К предполагается возобновить в 2022 году (после модернизации аппаратуры) и продолжить до 2026 года. Однако максимум, чего можно ожидать — это некоторое уточнение результатов. Ему на смену должны прийти эксперименты на детекторе Гипер-Камиоканде с баком на 500 000 тонн воды и более совершенными регистраторами фотонов. Его строительство было одобрено в феврале этого года — будем надеяться, что оно не задержится из-за пандемии коронавируса. Аналогичную возможность предоставит американский проект DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) с четырехмодульным подземным детектором в Южной Дакоте и источником нейтрино в Фермилабе. В отличие от Гипер-Камиоканде, эти модули, которые установят в шахте на глубине 1600 метров, будут заполнены не водой, а жидким аргоном — по 10 000 тонн каждый (первый модуль предполагается установить в 2026 году). Дистанция между источником нейтрино и детектором будет гораздо больше, чем в Японии — около 1300 километров. Не исключено, что на этих установках удастся надежно подтвердить сильное нарушение CP-симметрии, замеченное коллаборацией T2K. Однако даже при оптимальном раскладе эти эксперименты дадут результаты лишь в 2030-е годы. А пока выводы коллаборации Т2К стоит расценивать как заявку на будущее. Но эта заявка очень интересна.

В заключение не могу не написать о совсем свежем открытии из области гравитационной астрономии. 20 апреля сотрудники ганноверского Института Альберта Эйнштейна сообщили о первой регистрации всплеска гравитационных волн, рожденных при слиянии двух черных дыр c существенно различными массами. Это событие было зарегистрировано детекторными комплексами Advanced LIGO и Advanced Virgo 12 апреля 2019 года и поэтому, в соответствии с принятой номенклатурой, получило название GW190412. Масса одной из дыр оценена в 30 масс Солнца, в то время как масса другой не превышает 8 солнечных масс. Дистанция до столкнувшихся черных дыр определена с меньшей точностью — от 1,9 до 2,9 миллиардов световых лет. До сих пор LIGO и Virgo отлавливали только столкновения черных дыр приблизительно одинаковых масс.

Источник: The T2K Collaboration. Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations // Nature. 2020. DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0.

Алексей Левин