O echipă internațională de oameni de știință care studiază particule evazive numite neutrini a descoperit noi indicii despre motivul pentru care universul există.
Cercetătorii de la Universitatea Indiana au contribuit la un progres semnificativ în înțelegerea noastră despre univers printr-un parteneriat între două experimente internaționale de frunte cu neutrini.
Neutrinii sunt particule extrem de mici, aproape fără masă, care trec constant prin spațiu, planete și chiar prin corpurile noastre, dar interacționează rar cu ceva. Descoperirile publicate în revista Nature apropie oamenii de știință de răspunsul la o întrebare profundă: de ce universul conține materie, cum ar fi stele, planete și viață, în loc să fie gol?
Descoperirea vine dintr-o analiză comună fără precedent a datelor din experimentul NOvA din Statele Unite și T2K din Japonia. Aceste două proiecte de neutrini pe distanțe lungi sunt printre cele mai sofisticate de acest fel. Prin combinarea rezultatelor, cercetătorii pot studia mai bine neutrinii și omologii lor de antimaterie, oferind o perspectivă asupra motivului pentru care universul nu s-a autodistrus imediat după Big Bang.
În ambele experimente, oamenii de știință generează fascicule de neutrini folosind acceleratoare de particule și le trimit pe distanțe subterane vaste către detectoare masive. Detectarea lor este extraordinar de dificilă. Dintr-un număr nenumărat de particule produse, doar o mică fracțiune lasă semnale măsurabile. Detectoarele avansate și software-ul puternic sunt apoi utilizate pentru a reconstrui aceste interacțiuni rare și pentru a studia modul în care neutrinii se schimbă pe măsură ce călătoresc.
Universitatea Indiana a jucat un rol major în această lucrare timp de zeci de ani. Oamenii de știință IU au contribuit la construirea de sisteme de detectoare, interpretarea datelor și îndrumarea tinerilor cercetători. Mark Messier, profesor distins și președinte al departamentului de fizică din cadrul Colegiului de Arte și Științe de la IU Bloomington, a deținut funcții de conducere în proiect din 2006. Alți cercetători IU implicați includ fizicienii Jon Urheim și James Musser (emerit), profesorul de astronomie Stuart Mufson (Emertius) și Jonathan Karty în departamentul de chimie din Colegiul de la IU.
Neutrinii și misterul materiei antimaterie
Neutrinii sunt printre cele mai comune particule din cosmos. Nu poartă nicio sarcină electrică și nu au aproape nicio masă, ceea ce le face incredibil de dificil de detectat. Aceeași proprietate, însă, le face instrumente neprețuite pentru a sonda cele mai profunde legi ale fizicii.
Una dintre cele mai mari enigme din cosmologie este de ce universul este dominat de materie. Big Bang-ul ar fi trebuit să creeze cantități egale de materie și antimaterie. Când materia și antimateria se întâlnesc, se anihilează reciproc într-o explozie de energie. Dacă universul timpuriu ar fi conținut cantități perfect egale din ambele, totul ar fi dispărut. În schimb, un ușor dezechilibru a favorizat materia, permițând formarea galaxiilor, stelelor, planetelor și a vieții. Oamenii de știință cred că neutrinii pot ajuta la explicarea acelui dezechilibru.
Neutrinii există în trei varietăți, sau „arome”, cunoscute sub numele de electron, muon și tau. Pe măsură ce se deplasează prin spațiu, se pot schimba dintr-o aromă în alta într-un proces numit oscilație. Dacă neutrinii și antineutrinii oscilează diferit, acea diferență ar putea indica de ce materia a prevalat în cele din urmă.
NOvA și T2K își unesc forțele
Noul studiu Nature se remarcă deoarece îmbină datele de la două observatoare de neutrini de prim rang. NOvA (experimentul NuMI Off-axis νe Appearance) trimite un fascicul de neutrini la 810 kilometri de la Laboratorul Național Fermi de lângă Chicago către un detector de 14.000 de tone în Ash River, Minnesota. Între timp, proiectul T2K al Japoniei lansează un fascicul la 295 de kilometri de la acceleratorul J-PARC din Tokai către detectorul masiv Super-Kamiokande de sub Muntele Ikenoyama.
Prin analizarea împreună a rezultatelor lor, cercetătorii și-au îmbunătățit capacitatea de a măsura modul în care se comportă neutrinii. Potrivit unui comunicat de presă de la Nature, „Combinarea analizelor profită de sensibilitățile complementare ale celor două experimente și demonstrează valoarea colaborării.”
O distanță mai lungă a NOvA prin Pământ și fasciculul mai scurt, dar mai intens al T2K oferă puncte forte complementare, permițând oamenilor de știință să compare și să-și rafineze măsurătorile cu o precizie excepțională. Punerea în comun a seturilor de date a permis echipelor să determine mai bine parametrii care controlează oscilațiile neutrinilor, în special cele legate de diferențele dintre neutrini și antineutrini.
Rezultatele se concentrează pe simetria CP (simetria sarcină-paritate), principiul conform căruia materia și antimateria ar trebui să urmeze legi fizice identice, comportându-se ca imagini în oglindă una cu cealaltă. Cu toate acestea, universul observabil este copleșitor de alcătuit din materie, cu foarte puțină antimaterie rămasă din Big Bang. Descoperirile combinate sugerează că ar putea exista o diferență în modul în care oscilează neutrinii și antineutrinii, indicând o posibilă încălcare a simetriei CP. În termeni simpli, neutrinii s-ar putea să nu se comporte exact ca omologii lor de antimaterie. Această distincție subtilă ar putea fi un indiciu crucial pentru motivul pentru care materia a supraviețuit.
„Am făcut progrese în această întrebare cu adevărat mare, aparent dificilă: de ce există ceva în loc de nimic?”, a spus profesorul Messier. „Și am pregătit terenul pentru viitoarele programe de cercetare care își propun să folosească neutrinii pentru a aborda alte întrebări.”
Tehnologie, instruire și colaborare globală
Experimentele cu fizica particulelor la scară largă produc adesea beneficii dincolo de știința fundamentală. Tehnologiile dezvoltate pentru a detecta neutrinii, inclusiv electronica de mare viteză și sistemele avansate de analiză a datelor, găsesc adesea aplicații practice în industrie. Efortul de cercetare comună este susținut de finanțare din partea Departamentului de Energie al SUA.
„A existat o inovare tehnologică transformatoare în toate sectoarele societății, care a ieșit din fizica energiilor înalte”, a menționat Messier. „În plus, oamenii de știință de generația următoare se cufundă în știința datelor, în învățarea automată, inteligența artificială și în electronică și apoi intră în industrii cu abilitățile profunde pe care le-au dobândit în timp ce încearcă să răspundă la aceste întrebări cu adevărat dificile.”
Colaborările NOvA și T2K implică sute de oameni de știință din peste o duzină de țări din Statele Unite, Europa și Japonia. Analiza lor comună demonstrează puterea științifică a cooperării internaționale. Studenții IU Ph.D. care contribuie în prezent la studiul comun includ Reed Bowles, Alex Chang, Hanyi Chen, Erin Ewart, Hannah LeMoine și Maria Manrique-Plata. De când NOvA a început în 2014, Messier și colegii săi au îndrumat, de asemenea, mulți studenți absolvenți și studenți IU care lucrează la experiment. Parteneriatul oferă o previzualizare a modului în care ar putea funcționa viitoarele proiecte mari de fizică a particulelor.
Pentru Universitatea Indiana și colaboratorii săi, rezultatele deschid ușa către studii și mai precise care se bazează pe această lucrare.
„Ca fizician, mi se pare fascinant faptul că o întrebare uriașă, cum ar fi de ce există materie în univers în loc de antimaterie, poate fi împărțită în întrebări mai mici, pas cu pas”, a spus Messier. „În loc să fim uluiți de enormitatea lui, putem face de fapt progrese către un răspuns despre motivul pentru care suntem aici în univers.”