Nieuchwytne neutrina i ciemna materia mogą pomóc w wyjaśnieniu dominacji materii nad antymaterią
Model standardowy fizyki cząstek elementarnych, który od kilkudziesięciu lat stanowi główną podstawę opisu otaczającego nas świata fizycznego, jest podważany przez nowe zjawiska naturalne, które wydają się do niego nie pasować. Oscylacje neutrin, ciemna materia i energia oraz brak równowagi między materią a antymaterią wskazują na istnienie nowych modeli fizyki, które pozwolą na bardziej adekwatne opisanie praw natury. Finansowany przez UE projekt InvisiblesPlus przynosi obiecujące wskazówki dotyczące ukrytych właściwości neutrin i kandydatów na ciemną materię oraz odpowiada na pytania o podstawowe symetrie natury.
Neutrina, antyneutrina i ukryte asymetrie
Prawie każda cząstka ma swój odpowiednik w postaci antymaterii: cząstki o tej samej masie, ale o przeciwnym ładunku i momencie magnetycznym. Jednak neutrina nie mają ładunku elektrycznego, co oznacza, że neutrina i antyneutrina mogą być jednym i tym samym. „Brak antymaterii w naszym widzialnym Wszechświecie można by wyjaśnić, gdyby neutrina były swoimi własnymi antycząstkami. Oznaczałoby to istnienie nowych, niezaobserwowanych jeszcze cząstek. Wykazaliśmy, że masy tych cząstek mogą znajdować się w zasięgu obecnych i przyszłych eksperymentów, i opracowaliśmy nowe strategie ich poszukiwania. Nasza propozycja wskazuje, że nowe cząstki, stanowiące klucz do braku antymaterii we wszechświecie, mogą zostać wkrótce odkryte”, mówi Belen Gavela, koordynatorka projektu InvisiblesPlus. Oscylacje neutrin, wynikające z mieszania się ich stanu zapachowego ze stanami masowymi, oznaczają, że neutrino ma masę niezerową. Analiza danych o oscylacjach neutrin wskazała na nowe ograniczenia i poprawiła pomiary wartości parametrów ich mieszania. Projekt InvisiblesPlus umożliwił także wyznaczenie nowych granic wartości bezwzględnych mas neutrin na podstawie analiz danych kosmologicznych. Podczas eksperymentu T2K członkowie projektu zaobserwowali różnice pomiędzy oscylacjami wiązek neutrin i antyneutrin. Ten pomiar asymetrii oscylacji neutrin i antyneutrin może przybliżyć naukowców do wyjaśnienia przyczyn zdominowania wszechświata przez materię.
Zależności między tajemnicami antymaterii i ciemnej materii
Zaskakująca nieobecność pierwotnej antymaterii we wszechświecie może mieć swoje źródło w ciemnej materii. Oprócz neutrin (sterylnych) w jej skład wchodzą być może także aksjony. „Sposób, w jaki aksjony oddziałują z materią i antymaterią, może dostarczyć ważnych wskazówek na temat przewagi materii nad antymaterią”, zauważa Gavela. Badania teoretyczne przeprowadzone przez uczestniczących w projekcie naukowców sugerują, że aksjony, jako potencjalni kandydaci na ciemną materię, są znacznie cięższymi cząstkami niż sądzono. W eksperymencie Axion Dark Matter Experiment (ADMX) zespołowi udało się nałożyć najlepsze możliwe ograniczenia na aksjony, eliminując część z nich, o określonym zakresie mas, z grupy kandydatów na ciemną materię. Uczeni poluzowali ponadto ograniczenia dotyczące właściwości ciemnej materii dzięki eksperymentowi XENON. „Niezwykle interesujące jest to, że istnieje »techniczna synergia« pomiędzy poszukiwaniami neutrin i ciemnej materii. Na przykład, technika eksperymentalna oparta na pierwiastkach szlachetnych (jak w eksperymencie XENON) może służyć do bezpośredniego wykrywania ciemnej materii oraz określenia, czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami”, wyjaśnia Gavela. Nadal nie wiadomo, czy neutrina stają się masowe za sprawą mechanizmu Higgsa. Elementarne cząstki tworzące ciemną materię pozostają nieodkryte. „Nadal nie mamy pojęcia, skąd bierze się masa i jakie są wartości masy neutrin i ciemnej materii”. Być może aby zrozumieć pochodzenie masy, trzeba badać zwykłą materię, neutrina i ciemną materię jako całość – jako nowy układ okresowy”, podsumowuje Gavela.
Słowa kluczowe
InvisiblesPlus, neutrino, ciemna materia, antymateria, masa, aksjon, antyneutrino
