Dlaczego we Wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii? Na to pytanie starała się odpowiedzieć międzynarodowa grupa naukowców w eksperymencie T2K (Tokai-to-Kamioka), w którym bierze udział pół tysiąca uczonych, w tym Polacy.
Celem eksperymentu jest badanie neutrin, czyli niemal bezmasowych, pozbawionych ładunku elektrycznego, niezmiernie trudnych do obserwacji cząstek elementarnych. W mieście Tokai na wschodzie Japonii, w akceleratorze J-PARC produkuje się neutrina. Zaraz po ich wytworzeniu obserwuje się je w bliskim detektorze ND280. Następnie wypuszczane są pod ziemią i po przebyciu przez skały ok. 300 km trafiają do wielkiego detektora Super-Kamiokande, położonego niedaleko miejscowości Kamioka na zachodzie kraju. Stąd nazwa eksperymentu T2K (Tokai-to-Kamioka). Tam naukowcy badają zmiany zachodzące w składzie wiązki neutrin. Wyniki wieloletnich pomiarów i zaawansowanych analiz opublikowano właśnie w czasopiśmie „Nature”.
Używając wiązki neutrin i antyneutrin mionowych, T2K badało jak te cząstki i antycząstki zmieniają się, odpowiednio, w neutrina i antyneutrina elektronowe. Parametr opisujący łamanie symetrii materia/antymateria w oscylacjach neutrin, zwany fazą δCP, może przyjmować wartości w pewnym zakresie. W T2K po raz pierwszy, z bardzo dużym prawdopodobieństwem (99,7%), wykluczyło prawie połowę z możliwych wartości parametru δCP, odsłaniając tym samym niezmierzoną do tej pory podstawową własność neutrin. Dla większości zjawisk prawa fizyki dostarczają symetrycznego, tzn. takiego samego, opisu zachowania materii i antymaterii. Jednakże symetria ta nie jest zachowana w sposób uniwersalny. Efekt asymetrii między materią i antymaterią jest najbardziej widoczny w obserwacjach Wszechświata, który składa się głównie z materii i bardzo niewielkiej ilości antymaterii. Uważa się, że na początku Wszechświata materia i antymateria powstały w równych ilościach. By Wszechświat osiągnął stan dominacji materii nad antymaterią, niezbędnym warunkiem było łamanie tzw. symetrii ładunkowo-przestrzennej (z ang. Charge-Parity Symmetry, CP). Jak dotąd, łamanie symetrii CP zostało zaobserwowane jedynie dla subatomowych cząstek zwanych kwarkami (z nich zbudowane są protony i neutrony tworzące jadro atomu), jednak wielkość tego efektu jest niewystarczająca, aby wyjaśnić obserwowaną przewagę ilości materii nad antymaterią we Wszechświecie. Eksperyment T2K poszukuje nowego źródła łamania symetrii CP w oscylacjach neutrin, które manifestowałoby się jako różnica w mierzonych prawdopodobieństwach oscylacji dla neutrin i antyneutrin. Wyniki eksperymentu T2K sugerują jednak, że symetria CP może być również łamana w oscylacjach neutrin. Uczeni dostrzegli bowiem fundamentalne różnice w zachowaniu neutrin i antyneutrin w detektorze Super-Kamiokande.
To ważne obserwacje, ale potrzebna jest analiza większej ilości danych, dlatego badacze zapowiadają modyfikację eksperymentu. By wzmocnić czułość eksperymentu na możliwe efekty łamania symetrii CP, ośrodek J-PARC zwiększy intensywność wiązki protonów, a współpraca T2K unowocześni bliski detektor (ND280). Obie te modyfikacje pozwolą nie tylko na zebranie większej ilości danych, ale też zwiększenie dokładności pomiaru.
W eksperymencie T2K to bierze udział ok. 500 uczonych z 12 krajów. Polskę reprezentują zespoły z 6 ośrodków naukowych: Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Uniwersytetu Śląskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Warszawskiego i Uniwersytetu Wrocławskiego. Polscy fizycy są zaangażowani w budowę i obsługę aparatury pomiarowej, rozwijanie oprogramowania, zbieranie danych, prowadzenie analiz. Przewodniczą też grupom roboczym oraz biorą udział w komitetach doradczych i zarządzających współpracą.
JK, źródło: IFJ PAN