"Gdyby nie było żadnej symetrii między materią a antymaterią, świat składałby się tylko z promieniowania. Jest więc podejrzenie, że różne prawa fizyki są troszeczkę inne dla materii i antymaterii i faworyzują materię" - opowiada w rozmowie z PAP badacz neutrin dr Paweł Przewłocki z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku (NCBJ). Wyjaśnia, że badając cząstki i ich antymaterialnych odpowiedników - antycząstki, naukowcy chcą zbadać, dlaczego materii jest we Wszechświecie więcej.

Już wcześniej pokazano, że do asymetrii we Wszechświecie (a dokładniej mówiąc do tzw. łamania symetrii CP) przyczyniają się hadrony (hadronami są np. protony czy neutrony - cząstki składające się z trzech kwarków). Teraz może się okazać, że do tego efektu cegiełkę dokładają dodatkowo neutrina i antyneutrina. Wskazywać na to mogą badania dotyczące oscylacji neutrin i ich antybraci. Chodzi o spontaniczne przemiany, do jakich dochodzi w tych cząstkach (to tzw. zmiana zapachu). Może się okazać, że antyneutrina oscylują rzadziej niż neutrina i nie są w swoich zmianach aż tak "szalone".

Naukowcy uzyskali już ciekawe wyniki, ale na razie jeszcze nie ogłosili odkrycia. Są ostrożni i czekają, aż wyniki się potwierdzą. Tak czy inaczej, badania dotyczące neutrin są spektakularne i warto im się przyjrzeć.

NEUTRINA CZASEM GINĄ

Neutrina to cząstki, które powstają we Wszechświecie w reakcjach jądrowych - np. w gwiazdach, w akceleratorach cząstek czy reaktorach jądrowych. Prawie nie oddziałują z innymi cząstkami i nie tworzą z nimi układów związanych - jak ma to np. miejsce w przypadku kwarków czy elektronów. Neutrina powołane do istnienia podróżują przez Wszechświat i niemal nic nie jest ich w stanie powstrzymać. To słówko "niemal" jest tu jednak kluczem do poznania neutrin. Zdarza się bowiem, że maleńkie neutrino raz na biliony przypadków kiedyś zderzy się z inną cząstką. I można zbadać cząstki, które powstaną w takim zderzeniu.

W PODJAPOŃSKIEJ CIEMNOŚCI

Dlatego naukowcy wpadli na pomysł dość szalonego doświadczenia - eksperymentu T2K - "Tokai to Kamioka". W akceleratorze J-PARC pod miastem Tokai na wchodzie Japonii produkowane są neutrina i wypuszczane są pod ziemią, przez skały, w stronę Kamioki, która leży na zachodzie Japonii - ok. 300 km dalej. Tam z kolei 1 km pod ziemią znajduje się detektor Super-Kamiokande. Jego częścią jest ogromny zbiornik z wodą o średnicy 40 m i 40 m wysokości. Na co dzień w jego wnętrzu jest całkiem ciemno, a w ciemność tę skierowane są tysiące fotopowielaczy, które wychwycą nawet pojedynczy foton. Taki foton może być bowiem śladem po zderzeniu neutrina z cząsteczką wody.

Chociaż przez Super-Kamiokande ciągle przelatuje strumień neutrin z J-PARC, maleńkie rozbłyski są tam rzadkością. Jeśli już jednak rozbłysk jest zarejestrowany, można zbadać, skąd się wziął i dojść do informacji o samym neutrinie - skąd ono leci i jaki jest jego zapach - czy jest to może neutrino mionowe, elektronowe czy może taonowe (to trzy możliwe zapachy, czyli rodzaje neutrina).

Kilka lat temu dzięki eksperymentowi T2K udało się przyłapać neutrina na ich szaleństwach i stwierdzić, że neutrina mionowe wypuszczane z Tokai stają się czasem po drodze neutrinami elektronowymi. Fizycy byli jednak bardzo ciekawi, czy takich samych szaleństw dopuszczają się antyneutrina. Wydawało się, że nie powinno być tu żadnych różnic.

Z eksperymentu jednak na razie wynika, że antyneutrina oscylują trochę rzadziej niż neutrina. "Do tej pory zaobserwowaliśmy tylko 4 antyneutrina elektronowe powstałe z wiązki antyneutrin mionowych. Z modeli wynika tymczasem, że takich przemian w tym czasie powinno być ich ok. 5-6" - opowiada Przewłocki. Ta różnica między oczekiwaniami a rzeczywistością może nie robi dużego wrażenia, ale podobny efekt (choć tylko dla neutrin) zaobserwowali badacze w drugim eksperymencie neutrinowym - to eksperyment NOvA prowadzony w Stanach Zjednoczonych. "Idzie to w tym samym kierunku. Jeśli ta tendencja się utrzyma podczas dalszego zbierania danych, to będzie to wskazówka, że zaczynamy widzieć łamanie tzw. symetrii CP dla neutrin" - komentuje dr Przewłocki.

ANTYMATERIA? NIE WIDZĘ PRZESZKÓD.

Może się wydawać, że badanie antymaterii jest ekstremalnie trudne, bo błyskawicznie ona anihiluje, spotykając się z materią. Dr Przewłocki wyjaśnia, że owszem - tak jest np. w przypadku antyprotonów czy antyneutronów. One rzeczywiście szybko trafiają na swoich braci i anihilują. Jednak na badanie antyneutrin jest znacznie więcej czasu. "Antyneutrina - podobnie jak neutrina - bardzo słabo oddziałują z czymkolwiek. Aby doszło do anihilacji, antyneutrino musiałoby wpaść na neutrino" - mówi fizyk z NCBJ. A jest to bardzo mało prawdopodobne - cząstka i jej brat bardzo niechętnie ze sobą oddziałują. O wiele większe jest prawdopodobieństwo, że antyneutrino "zginie" zderzając się z inną cząstką. Np. w detektorze Super-Kamiokande. I na to liczą w swoich eksperymentach badacze.

"Wyniki, które otrzymaliśmy, to dopiero wskazówka, gdzie szukać czegoś ciekawego. A to, czy neutrina rzeczywiście różnią się od antyneutrin, będzie można potwierdzić lub odrzucić dopiero za kilka lat. Pewnie trzeba będzie poczekać na wyniki całkiem nowych eksperymentów" - podsumowuje dr Przewłocki.

W eksperymencie T2K biorą udział naukowcy z Polski. To badacze z NCBJ, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetów: Warszawskiego, Śląskiego oraz Wrocławskiego, a także z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/