Усе, що нас оточує, від ґрунту під ногами до найдальших галактик, складається з матерії. Для вчених це питання викликало багато роздумів: згідно з сучасними теоріями фізиків, матерія і її антипод — антиматерія — повинні були бути створені в однакових пропорціях в момент Великого Вибуху. Але антиматерія виявляється вкрай рідкісною у Всесвіті. Що ж трапилося?
Фізики ще не знають відповідь на це запитання, але багато хто вважає, що рішення, ймовірно, пов’язане з деякими тонкими відмінностями у поведінці матерії та антиматерії. Наразі найбільш багатообіцяючий шлях до розкриття цього таємничого питання зосереджується на нових експериментах, що стосуються загадкової субатомної частинки, відомої як нейтрино.
«Не можна з упевненістю стверджувати, що нейтрино є поясненням асиметрії матерії та антиматерії, але велика низка моделей, що може пояснити цю асиметрію, пов’язана саме з нейтрино», — зазначає Джессіка Търнер, теоретичний фізик з Університету Дарема у Великобританії.
Давайте повернемося на мить назад: коли фізики говорять про матерію, мається на увазі звичайна речовина, з якої складається Всесвіт — в основному протони та нейтрони (які утворюють ядра атомів), а також легші частинки, такі як електрони. Хоча термін «антиматерія» звучить як з наукової фантастики, насправді антиматерія не дуже відрізняється від звичайної матерії. Зазвичай єдина відмінність полягає в електричному заряді: наприклад, позитрон — перша виявлена частинка антиматерії — має таку ж масу, як електрон, але несе позитивний, а не негативний заряд. (Ситуація дещо складніша з електрично нейтральними частинками. Наприклад, фотон вважається своєю ж антипарткиєю, але антинейтрон відрізняється від нейтрону тим, що він складається з антикварків, а не з звичайних кварків.)
У природі можуть існувати різні частинки антиматерії; вони зустрічаються у космічних променях і в грозових хмарах, а також утворюються в процесах радіоактивного розпаду. (Оскільки люди — і банани — містять невелику кількість радіоактивного калію, вони випромінюють незначні кількості антиматерії у вигляді позитронів.)
Невеликі обсяги антиматерії були також створені вченими в прискорювачах частинок та інших експериментах, що потребувало великих зусиль і витрат — це зменшує можливості наукової фантастики щодо ракет, що приводяться в рух антиматерією, або планетознищувальних зброї.
Коли матерія і антиматерія зустрічаються, вони анігілюють, вивільняючи енергію у вигляді випромінювання. Такі зустрічі підпорядковуються відомій формулі Ейнштейна, E=mc2 — енергія дорівнює масі, помноженій на квадрат швидкості світла, — яка показує, що можна перетворити трішки матерії на велику кількість енергії або навпаки. (Позитрони, які випускаються бананами та організмами, мають настільки малу масу, що ми не помічаємо незначні кількості енергії, що вивільняються при їх анігіляції.) Оскільки матерія і антиматерія вкрай швидко анігілюють, створити об’єм антиматерії, значно більший за атом, важко, хоча теоретично можуть існувати антиматерійні молекули, планети та зірки.
Але виникає загадка: якщо матерія і антиматерія були створені в рівних кількостях під час Великого Вибуху, як стверджує теорія, чи не повинні вони були анігілювати, залишивши після себе всесвіт, що складається з чистої енергії? Чому ще є матерією?
Найбільш ймовірна гіпотеза фізиків полягає в тому, що якийсь процес у ранньому всесвіті сприяв утворенню матерії в порівнянні з утворенням антиматерії — але що це за процес, залишається загадкою, і питання про те, чому ми живемо у всесвіті, домінованому матерією, є однією з найскладніших проблем у фізиці.
Критично важливо, що фізики не змогли придумати жодного такого процесу, який би узгоджувався з сучасною провідною теорією матерії та енергії, відомою як Стандартна модель фізики частинок. Це залишає теоретикам можливість шукати нові ідеї, невідомі фізичні явища, що виходять за межі Стандартної моделі. Тут з’являються нейтрино.
Нейтральна відповідь
Нейтрино — це крихітні частинки без електричного заряду. (Їхня назва перекладається як «маленька нейтральна частинка».) Згідно зі Стандартною моделлю, вони мають бути безмасними, як фотони, але експерименти, що почалися в 1990-х роках, показали, що вони власне мають невелику масу. (Вони легші за електрони принаймні в мільйон разів, які є найлегшими частинками серед звичайної матерії.) Оскільки фізики вже знають, що нейтрино порушують Стандартну модель, маючи масу, вони сподіваються, що більше знань про ці крихітні частинки можуть відкрити нові горизонти.
Однак нейтрино повільно розкривають свої таємниці, оскільки вони майже не взаємодіють з іншими частинками. Кожну секунду через сантиметр квадратний вашої шкіри проходить близько 60 мільярдів нейтрино з Сонця. Якби ці нейтрино взаємодіяли з атомами в наших тілах, вони, напевно, знищили б нас. Натомість вони просто проходять крізь нас. «Ви, найімовірніше, не взаємодіятимете з жодним нейтрино за все своє життя», — говорить Педро Мачадо, фізик із Fermilab поблизу Чикаго. «Це дуже маловірогідно».
Але експерименти показали, що нейтрино «осцилюють» у своїй подорожі, змінюючи свої ідентичності — фізики називають їх «смаками»: електронні нейтрино, мюонні нейтрино та тау-нейтрино. Вимірювання осциляцій також виявили, що нейтрино різних «смаків» мають трохи різну масу.
Осциляція нейтрино є дивною, але, можливо, це диво може бути корисним, оскільки воно може дозволити фізикам дослідити певні фундаментальні симетрії в природі — а ці симетрії, в свою чергу, можуть прояснити найскладніші асиметрії, такі як дисбаланс матерії та антиматерії у Всесвіті.
Для дослідників нейтрино важливою є симетрія, яка називається симетрія заряд-паритету або CP-симетрія. Це фактично комбінація двох різних симетрій: зміна заряду частинки перетворює матерію в антиматерію (і навпаки), а зміна паритету частинки перевертає частинку в її дзеркальне зображення (як перетворення праворукої рукавички на ліворуку). Таким чином, версія частинки з протилежним CP є дзеркальним зображенням відповідної антипартки. Але чи поводиться ця протилежна частинка точно так само, як і оригінальна? Якщо ні, тоді фізики кажуть, що CP-симетрія порушена — це складний спосіб сказати, що матерія та антиматерія поводяться трохи по-різному. Тому будь-які приклади порушення CP-симетрії в природі можуть допомогти пояснити дисбаланс матерії та антиматерії.
Насправді CP-порушення вже спостерігалося в деяких мезонах, типі субатомних частинок, зазвичай що складаються з одного кварка та одного антикварка. Це несподіване відкриття було зроблено вперше в 1960-х роках. Але цей ефект є надзвичайно малим і не може пояснити асиметрію матерії та антиматерії у Всесвіті.
У липні 2025 року вчені, які працюють на Великому адронному колайдері в CERN поблизу Женеви, повідомили про чіткі докази подібного порушення для одного типу частинок з іншої родини субатомних частинок, відомих як баріони, але ці нововиявлені CP-порушення також вважаються надто малими, щоб пояснити дисбаланс матерії та антиматерії.
Експерименти на горизонті
А що ж з нейтрино? Чи порушують вони CP-симетрію — і якщо так, чи роблять це настільки сильно, щоб пояснити, чому ми живемо у Всесвіті, домінованому матерією? Це саме питання розглядається новим поколінням експериментів з фізики частинок. Найбільш амбітним із них є Глибокий підземний експеримент нейтрино (DUNE), який зараз будується у Сполучених Штатах; збір даних може розпочатися вже у 2029 році.
DUNE використовуватиме найпотужніший нейтрино-промінь у світі, який випромінюватиме як нейтрино, так і антинейтрино з Fermilab до Підземної дослідницької лабораторії Санфорда, розташованої за 800 миль у Південній Дакоті. (Тунелю немає; нейтрино і антинейтрино просто проходять крізь Землю, практично не помічаючи її.) Детектори з обох кінців променя виявлять, як частинки осцилюють під час перетворення від однієї лабораторії до іншої — і чи відрізняється поведінка нейтрино від поведінки антинейтрино.
DUNE не з’ясує точну величину порушення CP-симетрії нейтрино (якщо таке існує), але вона встановить верхню межу цього порушення. Чим більший можливий ефект, тим більшою буде різниця в поведінці нейтрино та антинейтрино, і тим більша ймовірність того, що нейтрино можуть бути відповідальними за асиметрію матерії та антиматерії в ранньому Всесвіті.
Для Ширлі Лі, фізика з Університету Каліфорнії в Ірвіні, питання про порушення CP-симетрії нейтрино є надзвичайно актуальним, воно може вказати шлях до суттєвого переосмислення фізики частинок. «Якщо б я могла отримати відповідь на одне питання до кінця свого життя, я б хотіла знати, про що йдеться», — каже вона.
Окрім того, що це може бути величезне відкриття самому по собі, порушення CP-симетрії в нейтрино може кинути виклик Стандартній моделі, вказуючи шлях до нових фізичних явищ. Наприклад, теоретики стверджують, що це могло б означати існування двох видів нейтрино — лівосторонніх (звичайних, легких, які спостерігалися до тепер) і набагато важчих правосторонніх нейтрино, які поки що є лише теоретичною можливістю. («Рукавичка» частинок відноситься до їхніх квантових властивостей.)
Ці правосторонні нейтрино можуть бути у 1015 разів важчими за протони і вони будуть нестабільними, розпадаючись майже миттєво після утворення. Хоча їх немає в сучасному Всесвіті, фізики підозрюють, що правосторонні нейтрино могли існувати в часи відразу після Великого Вибуху — можливо, розпадаючись за процесом, який імітував порушення CP та сприяв утворенню матерії на шкоду антиматерії.
Існує навіть можливість того, що нейтрино можуть діяти як свої ж антипартки — тобто, що нейтрино можуть перетворюватися в антинейтрино і навпаки. Цей сценарій, який підтримав би відкриття правосторонніх нейтрино, зробив би нейтрино принципово відмінними від більш звичайних частинок, таких як кварки та електрони. Якщо антинейтрино можуть перетворюватися в нейтрино, це могло б пояснити, куди поділася антиматерія у найперші моменти Всесвіту.
Один зі способів перевірити цю ідею — це шукати незвичайний тип радіоактивного розпаду — теоретично передбачений, але досі не спостережуваний — відомий як “розпад без нейтрино у подвійній бета-реакції.” У звичайному подвійній бета-розпаді два нейтрони в ядрі одночасно перетворюються на протони, вивільняючи два електрони та два антинейтрино в процесі. Але якщо нейтрино можуть діяти як свої ж антипартки, тоді два нейтрино могли б анігілювати одне одного, залишаючи тільки два електрони та сплеск енергії.
В даний час кілька експериментів проводяться чи плануються, щоб шукати цей процес розпаду, у тому числі експеримент KamLAND-Zen в детектуючій лабораторії нейтрино в Каміока, Японія; експеримент nEXO в лабораторії SNOLAB в Онтаріо, Канада; експеримент NEXT в Канфранкському підземному лабораторії в Іспанії; та експеримент LEGEND в лабораторії Гран Сассо в Італії. KamLAND-Zen, NEXT і LEGEND вже працюють.
Хоча ці експерименти відрізняються деталями, всі вони використовують одну спільну стратегію: вони застосовують величезну ємність з щільним, радіоактивним матеріалом з масивами детекторів, що шукають випромінювання незвично енергійних електронів. (Очікувані компаньйони нейтрино, ймовірно, будуть відсутніми, оскільки енергія, яку б вони мали замість цього буде переведена на електрони.)
Наразі нейтрино залишається однією з найбільш загадкових із відомих частинок, але вони повільно, але впевнено відкривають свої таємниці. Оскільки вони це роблять, вони можуть вирішити загадку нашого Всесвіту, домінованого матерією — Всесвіту, що дозволяє таким допитливим істотам, як ми, процвітати. Нейтрино, які безшумно пролітають через ваше тіло кожну секунду, поступово пропонують новий погляд на Всесвіт.
«Я вважаю, що ми вступаємо у надзвичайно цікаву еру», — говорить Тёрнер.