Neutrina i cząstki ciemnej materii kluczem do zrozumienia asymetrii we wszechświecie
Neutrina są cząstkami, które występują powszechnie we wszechświecie, a mimo to są słabo poznane. Są one tak nieuchwytne, że trudno zbadać ich właściwości. Pierwsze oznaki odmiennego zachowania się neutrin podczas przechodzenia w antyneutrina, co jest łamaniem symetrii parzystości kombinowanej CP (zwanej też parzystością ładunkowo-przestrzenną), stanowią ważną wskazówkę w kwestii występowania nadmiaru materii w stosunku do antymaterii. Innym źródłem informacji o łamaniu symetrii CP, może być niewidoczna ciemna materia. Występowanie asymetrii w polach rotacji aksjonów (hipotetycznych cząstek, które mogą wchodzić w skład ciemnej materii) to możliwy powód tego, że wszechświat nie jest pusty. Finansowany z działania „Maria Skłodowska-Curie” projekt ELUSIVES stanowi sieć szkoleń wstępnych, które koncentrują się na fenomenologicznym opisie neutrin i ciemnej materii. Jednym z głównych celów projektu było zbadanie, jak łączą się te pola, zwłaszcza w kontekście wyjaśnienia, dlaczego symetria CP wydaje się występować tylko w niektórych przypadkach. Sieć działa bardzo prężnie, między innymi w jej ramach ukazało się ponad 280 publikacji naukowych.
Pochodzenie masy neutrin i tajemnice antymaterii
Wyniki przeprowadzonego w Japonii eksperymentu T2K pozwoliły zauważyć, że do łamania symetrii CP może dochodzić także podczas oddziaływań słabych między leptonami. Stwierdzono bowiem, z poziomem ufności 3σ, rozbieżności pomiędzy oscylacjami neutrin, a mianowicie między sposobem, w jaki neutrina mionowe przechodzą w neutrina elektronowe a sposobem, w jaki antyneutrina mionowe przechodzą w antyneutrina elektronowe. Szczegółowe analizy danych dotyczących oscylacji neutrin skłoniły badaczy zrzeszonych wokół projektu ELUSIVES do stworzenia zbioru surowych ograniczeń dotyczących parametrów mieszania neutrin sterylnych. Ważną cechą neutrin jest ich niezwykle mała masa. Oznacza to, że neutrina zyskują masę nie tylko przez oddziaływanie z polem Higgsa, jak ma to miejsce w przypadku większości cząstek. Naukowcy projektu ELUSIVES badali, czy powstawanie masy neutrin może być w znacznym stopniu związane z nowymi stanami cięższych cząstek. Zasugerowali oni, że można poprawić czułość ich wykrywania w Wielkim Zderzaczu Hadronów i przyszłych zderzaczach, szukając silnego sygnału oddalonych rozpadów nośników masy neutrin. Po rozwiązaniu problemu hierarchii mas neutrin, naukowcy będą lepiej przygotowani na rozwikłanie kolejnej nurtującej ich zagadki dotyczącej tych nieuchwytnych cząstek, a mianowicie stwierdzenia, czy neutrina są swoimi własnymi antycząstkami. „Ustalenie, czy neutrina są cząstkami Majorany, miałoby ogromny wpływ na fizykę cząstek. Naukowcy badają tę możliwość za pomocą procesu zwanego podwójnym bezneutrinowym rozpadem beta”, zauważa Belen Gavela, profesor fizyki teoretycznej na Uniwersytecie Autonomicznym w Madrycie i koordynatorka ELUSIVES. Członkowie projektu pracujący nad eksperymentami GERDA, CUORE i NEXT poszukują podwójnego bezneutrinowego rozpadu beta odpowiednio w rozpadach germanu-76, telluru-130 i ksenonu-136.
Aksjony i cząstki do nich podobne dostarczają odpowiedzi na wiele pytań
W ramach eksperymentu Axion Dark Matter zdefiniowano odpowiednie ograniczenia dotyczące istnienia i właściwości aksjonów. Badacze skupieni wokół projektu ELUSIVES rozważyli koncepcję znacznie większej niż dotychczas przypuszczano masy aksjonu., Takie założenie znacznie rozszerzyłoby dziedzinę eksperymentalną, w której można rozwiązać problem łamania symetrii CP w oddziaływaniach silnych, nawet o Wielki Zderzacz Hadronów i przyszłe zderzacze. Naukowcy dokładnie ocenili również wkład cząstek aksjonopodobnych w momenty dipolowe leptonów i zbadali, czy istnieje związek między aksjonami a teorią minimalnego łamania zapachu. Inni członkowie projektu zaproponowali nowe sygnały fal grawitacyjnych ciemnej materii aksjonopodobnej. Dzięki eksperymentowi XENON1T członkowie projektu przyczynili się do wyznaczenia najdokładniejszych granic dla słabych oddziaływań dużych cząstek. W projekcie ELUSIVES uzyskano wiele innych wyników dotyczących neutrin i cząstek potencjalnie tworzących ciemną materię, które mogą pomóc przyszłym naukowcom w odpowiedzi na pytania o fundamentalne symetrie występujące w naturze. Wyniki tego projektu przyczyniają się do utrzymania wiodącej pozycji i konkurencyjności Europy w dziedzinie badań nad neutrinami i ciemną materią.
Słowa kluczowe
ELUSIVES, neutrino, aksjon, ciemna materia, antyneutrino, symetria CP, hierarchia mas neutrin, asymetrie
