Znanstvenici već desetljećima znaju da su neutrini, čestice iznimno male mase i gotovo neuhvatljive prirode, među najtajanstvenijim pojavama u svemiru. Svake sekunde trilijuni njih prolaze kroz naše tijelo bez ikakvog traga, ne sudarajući se ni s jednim atomom. Kroz materiju prolaze kao da je neprimjetna, rijetko reagiraju i, što je posebno neobično, mogu tijekom putovanja prijeći iz jedne vrste u drugu.
Sada je, zahvaljujući dosad neviđenoj suradnji dvaju najvećih svjetskih eksperimenata s neutrinima, postignut značajan pomak u razumijevanju tih čestica. Zajednički rezultati približili su znanstvenike odgovoru na jedno od najdubljih pitanja fizike, zašto uopće postoji materija, odnosno zašto naš svemir nije nestao u trenutku nastanka.
Zajednička analiza dvaju eksperimenata
U novoj studiji objavljenoj u časopisu Nature, timovi japanskog eksperimenta T2K i američkog NOvA prvi su put udružili svoje goleme skupove podataka u tzv. zajedničku analizu oscilacija neutrina. Spojivši podatke i metode, stvorili su najprecizniji prikaz dosad kako se neutrini mijenjaju dok putuju kroz prostor.
Rezultati upućuju na mogućnost da te čestice krše jedno od temeljnih pravila prirode, CP-simetriju, koja nalaže da bi svemir trebao izgledati jednako ako se sve čestice zamijene njihovim antičesticama i preslikaju u zrcalu. Kršenje tog načela moglo bi objasniti zašto je svemir ispunjen materijom, a ne antimaterijom, i zašto uopće postoji nešto umjesto ničega.
U svojoj analizi istraživači pišu da bi, ako se potvrdi tzv. inverzni redoslijed masa neutrina, njihovi podaci mogli biti dokaz kršenja CP-simetrije u leptonskom sektoru, skupini čestica u koju spadaju elektroni, mioni, tauoni i neutrini.
Kako su neutrini promijenili fiziku
CP-simetrija nije savršena, znanstvenici su već 1960-ih otkrili da priroda zna “prekršiti” to pravilo. U istraživanju raspada kaona pronađeni su prvi tragovi asimetrije između materije i antimaterije, što je 1980. nagrađeno Nobelovom nagradom. Kasnija mjerenja B-mezona pokazala su da slaba nuklearna sila, odgovorna za radioaktivni raspad, ponekad drukčije djeluje na materiju nego na antimateriju.
Takva kršenja postoje unutar Standardnog modela fizike čestica, ali njihov je učinak premalen da bi objasnio zašto je svemir prepun materije. Upravo zato su se fizičari okrenuli neutrinima, najneuhvatljivijim česticama poznatima čovjeku, kao mogućem izvoru neravnoteže između materije i antimaterije.
Neutrini postoje u tri oblika, odnosno “okusa”, elektronskom, mionskom i tau. Tijekom putovanja oni mogu prelaziti iz jednog oblika u drugi, što se naziva oscilacija neutrina. Taj fenomen dokazuje da neutrini imaju masu, što Standardni model izvorno nije predviđao. Otkriće njihove oscilacije krajem 1990-ih potpuno je promijenilo fiziku čestica.
Dva kontinenta, jedan cilj
Eksperimenti T2K i NOvA već su godinama ključni u tom istraživanju. Japanski T2K usmjerava snop neutrina iz akceleratora J-PARC u Tokaiu prema detektoru Super-Kamiokande, udaljenom 295 kilometara. U Sjedinjenim Državama, NOvA ispaljuje snop iz laboratorija Fermilab kod Chicaga prema detektoru u Minnesoti, udaljenom 810 kilometara.
NOvA, s višom energijom snopa, preciznija je u određivanju redoslijeda masa neutrina, dok je T2K osjetljiviji na moguće učinke kršenja CP-simetrije. Udruživanjem podataka obje su skupine smanjile statističke nesigurnosti koje su ograničavale dosadašnje rezultate, postigavši najtočnije mjerenje razlika u masama neutrina do danas.
Tragovi narušene simetrije
Posebno je zanimljiv rezultat povezan s tzv. delta-CP fazom, parametrom koji može otkriti ponašaju li se neutrini i antineutrini jednako. Analiza pokazuje da u mnogim scenarijima neutrini ne zadržavaju potpunu simetriju, što znači da bi se mogli ponašati drugačije od svojih antimaterijskih blizanaca.
Ako se to potvrdi, riječ je o mogućem ključu za razumijevanje kako je svemir opstao. Kršenje CP-simetrije među leptonskim česticama moglo je u ranim fazama svemira “nagnuti vagu” na stranu materije, omogućivši nastanak galaksija, zvijezda, planeta, i života.
“Zajedničkom analizom možemo postići veću preciznost nego bilo koji eksperiment samostalno”, objašnjava dr. Liudmila Kolupaeva, članica tima NOvA. “Svaki eksperiment ima svoje prednosti i ograničenja, a njihovo kombiniranje daje cjelovitiju sliku.”
Ova razina integracije, spajanje podataka, modela i softverskih alata u jedinstveni analitički okvir, prva je takve vrste u povijesti fizike neutrina.
Sljedeći korak: nova generacija detektora
Suradnja nije bila jednostavna: timovi su morali uskladiti različite modele interakcije neutrina s atomskim jezgrama i metode procjene sustavnih pogrešaka, poput kalibracije detektora i intenziteta snopa. Nakon brojnih provjera zaključili su da te razlike nisu dovoljno velike da bi utjecale na konačne rezultate, što otvara vrata novim zajedničkim analizama.
Iako su rezultati iznimno obećavajući, znanstvenici upozoravaju da još nema statistički značajne prednosti ni za jedan mogući raspored masa, takozvani normalni ili inverzni redoslijed. Ako se, međutim, inverzni scenarij potvrdi, analiza pokazuje da bi neutrini tada kršili CP-simetriju s više od 99,7 posto sigurnosti. To bi bio prvi dokaz takvog ponašanja među leptonima.
U godinama koje dolaze, nova generacija eksperimenata, DUNE u SAD-u i Hyper-Kamiokande u Japanu, trebala bi dodatno povećati preciznost mjerenja i možda konačno potvrditi krši li priroda vlastita pravila.
Za sada, suradnja T2K i NOvA ostaje povijesni trenutak, prvi globalni zajednički uvid u ponašanje neutrina, čestica koje bi mogle skrivati odgovor na pitanje zašto uopće postoji svemir kakav poznajemo.
“Ovo je veliko postignuće za našu zajednicu”, zaključuje dr. Kendall Mahn sa Sveučilišta Michigan State. “Pokazali smo da možemo raditi zajedno, dijeliti znanje i približiti se razumijevanju najdubljih zakona svemira.”
Ivan je novinar i autor koji piše o znanosti, svemiru i povijesti. Gostuje kao stručni sugovornik na Science Discovery i History Channelu te piše za Večernji list. Osnivač je Kozmos.hr, prvog hrvatskog portala posvećenog popularizaciji znanosti.
