Все, що оточує нас, від землі під ногами до найвіддаленіших галактик, складається з матерії. Однак для вчених це давно стало проблемою: згідно з актуальними теоріями, матерія та її протилежність — античастинки — повинні були виникнути в рівних кількостях під час Великого вибуху. Але античастинки є вкрай рідкісними у всесвіті. Отже, що ж трапилося?
Фізики поки не знають відповіді на це запитання, але багато хто вважає, що рішення полягає в деяких тонких відмінностях у поведінці матерії та античастинок. Наразі найбільшобіцяючий шлях у цю невивчену сферу полягає в нових експериментах з загадковими субатомними частинками, відомими як нейтрино.
«Це не значить, що нейтрино обов’язково є поясненням асиметрії матерії та античастинок, але велика кількість моделей, що можуть це пояснити, пов’язана з нейтрино», — зазначає Джессіка Тарнер, теоретичний фізик з Даремського університету у Великій Британії.
Давайте трохи відступимо: коли фізики говорять про matter, це просто звичайні речовини, з яких складається всесвіт — в основному протони та нейтрони (які утворюють ядра атомів), а також легші частинки, такі як електрони. Хоча термін «античастинки» звучить як з наукової фантастики, античастинки насправді не сильно відрізняються від звичайної матерії. Зазвичай єдина різниця — це електричний заряд: наприклад, позитрон — перша виявлена античастинка — має таку ж масу, як електрон, але має позитивний заряд замість негативного. (Ситуація дещо складніша з електрично нейтральними частинками: наприклад, фотон вважається своєю власною античастинкою, а антинейтрон відрізняється від нейтрону, оскільки складається з антикварків, а не звичайних кварків.)
В природі можуть існувати різні античастинки; вони зустрічаються в космічних променях та в грозових хмарах, а також утворюються в процесі деяких видів радіоактивного розпаду. (Оскільки люди — і банани — містять невелику кількість радіоактивного калію, вони випускають мізерні кількості античастинок у формі позитронів.)
Науковці також створили невеликі обсяги античастинок у прискорювачах частинок та інших експериментах, але це вимагає значних зусиль і витрат — що зменшує науково-фантастичні мрії про ракети, що працюють на античастках, або планети, знищені за їхньої допомоги.
Коли матерія та античастинки зустрічаються, вони взаємодіють, вивільняючи енергію у формі випромінювання. Такі зустрічі підкоряються знаменитій формулі Ейнштейна E=mc2 — енергія дорівнює маса, помножена на квадрат швидкості світла — яка говорить, що трішки матерії можна перетворити на велику кількість енергії, і навпаки. (Позитрони, які вивільняються бананами та організмами, мають таку малу масу, що ми не помічаємо тих мізерних обсягів енергії, які вивільняються під час їхнього знищення.) Оскільки матерія та античастинки так легко знищують одна одну, важко створити частку античасток, що була б істотною більшою, ніж атом, хоча теоретично можливе існування античастинок, античастинкових молекул, і навіть античастинкових планет і зірок.
Але існує загадка: якщо матерія та античастинки виникли в рівних кількостях під час Великого вибуху, як стверджує теорія, чому вони не знищили одна одну, залишивши всесвіт, що складається з чистої енергії? Чому матерії досі достатньо?
Найкраща здогадка фізиків полягає в тому, що якийсь процес на ранніх етапах всесвіту сприяв створенню матерії в порівнянні з античастинками — але те, яким чином це сталося, є загадкою, і питання про те, чому ми живемо в всесвіті, наповненому матерією, є одним із найскладніших у фізиці.
Важливо, що фізики не змогли придумати жодного такого процесу, який би вписувався в сьогоднішню провідну теорію матерії та енергії, відому як Стандартна модель фізики частинок. Це змусило теоретиків шукати нові ідеї, деяку ще невідому фізику, що виходить за межі Стандартної моделі. Тут і стають в нагоді нейтрино.
Нейтральна відповідь
Нейтрино — це крихітні частинки, які не мають електричного заряду. (Назва перекладається як «маленька нейтральна частинка».) Згідно зі Стандартною моделлю, вони не повинні мати маси, як фотони, але експерименти, що почалися в 1990-х, показали, що вони насправді мають малу масу. (Вони в мільйон разів легші за електрони, які є найменшими частинками звичайної матерії.) Оскільки фізики вже знають, що нейтрино порушують Стандартну модель через наявність маси, вони сподіваються, що більше знань про ці крихітні частинки можуть дати уявлення про те, що лежить за межами відомого.
Однак нейтрино повільно розкривають свої таємниці, оскільки вони майже не взаємодіють з іншими частинками. Приблизно 60 мільярдів нейтрино від Сонця проходять через кожен квадратний сантиметр нашої шкіри кожну секунду. Якщо б ці нейтрино взаємодіяли з атомами в наших тілах, вони, ймовірно, знищили б нас. Натомість вони проходять просто крізь нас. «Ви, ймовірно, не взаємодіятимете з жодним нейтрино у своєму житті», — каже Педро Мачадо, фізик з Фермілаб неподалік від Чикаго. «Це надзвичайно малоймовірно».
Проте експерименти продемонстрували, що нейтрино «осцилюють» під час подорожі, змінюючи свої типи, які фізики називають «смаками»: електронне нейтрино, мюонне нейтрино та тау-нейтрино. Вимірювання осциляцій також показали, що нейтрино різних смаків мають дещо різну масу.
Осциляція нейтрино є дивною, але вона може бути корисною, оскільки дозволяє фізикам досліджувати певні основні симетрії в природі — і ці симетрії можуть пролити світло на найбільш неприємну з асиметрій, а саме дисбаланс матерії та античастинок у всесвіті.
Для дослідників нейтрино ключовою симетрією є так звана симетрія заряду-паритету (CP-симетрія). Вона є комбінацією двох окремих симетрій: зміна заряду частинки перетворює матерію в античастинки (або навпаки), тоді як зміна паритету частинки перетворює частинку в її дзеркальне зображення (як перетворення правої рукавички на ліву). Таким чином, версія частинки звичайної матерії, що є CP-протилежною, є дзеркальним зображенням відповідної античастинки. Але чи веде ця протилежна частинка себе точно так само, як оригінал? Якщо ні, фізики кажуть, що CP-симетрія порушена — елегантний спосіб сказати, що матерія та античастинки поводяться дещо по-різному. Тому будь-які приклади порушення CP-симетрії в природі можуть допомогти пояснити дисбаланс матерії та античастинок.
На самому справі, порушення CP вже було спостережено у деяких мезонах, типі субатомної частинки, які зазвичай складаються з одного кварка й одного антикварка, що є дивовижним результатом, вперше виявленим у 1960-х. Але це надзвичайно малий ефект, і його явно недостатньо для пояснення асиметрії матерії та античастинок у всесвіті.
У липні 2025 року науковці, які працюють на Великому адронному колайдері в CERN поблизу Женеви, повідомили про чіткі докази подібного порушення, виявленого в одному типі частинок з іншої родини субатомних частинок, відомих як баріони — але це новознайдене порушення CP також вважається занадто малим, щоб пояснити дисбаланс матерії та античастинок.
Експерименти на горизонті
Отже, що з нейтрино? Чи порушують вони CP-симетрію — і якщо так, то чи роблять це вони настільки суттєво, щоб пояснити, чому ми живемо у всесвіті, де переважає материя? Саме це питання ставлять нове покоління експериментів у фізиці частинок. Найамбітніше з них — Глибокий підземний дослідницький експеримент з нейтрино (DUNE), який наразі будується у Сполучених Штатах; збір даних може розпочатися вже 2029 року.
DUNE використовуватиме найбільшу в світі нейтрино-базу, що скидатиме як нейтрино, так і антинейтрино з Фермілаб до санфордського підземного дослідницького закладу, розташованого на відстані 800 миль у Південній Дакоті. (Тунелю немає; нейтрино та антинейтрино просто проходять через землю, насправді ледве помічаючи, що вона там є.) Датчики на кожному кінці пучка покажуть, як частинки осцилюють під час перетворення між двома лабораторіями — і чи відрізняється поведінка нейтрино від поведінки антинейтрино.
DUNE не зможе точно визначити величину порушення CP-симетрії нейтрино (якщо вона є), але встановить верхню межу для цього. Чим більший потенційний ефект, тим більша різниця в поведінці нейтрино та антинейтрино, і тим більше шансів, що нейтрино можуть відповідати за асиметрію матерії та античастинок у ранньому всесвіті.
Для Ширлі Лі, фізика з Університету Каліфорнії в Ірвайні, питання про порушення CP у нейтрино є надзвичайно важливим — це питання, яке може вказати шлях до суттєвого переосмислення фізики частинок. «Якщо б я могла отримати відповідь на одне запитання до кінця свого життя, я б хотіла дізнатися, що це таке», — каже вона.
Окрім того, що це значне відкриття саме по собі, порушення CP-симетрії в нейтрино може кинути виклик Стандартній моделі, вказуючи шлях до іншої нової фізики. Наприклад, теоретики кажуть, що це могло б означати існування двох видів нейтрино — лівосторонніх (зараз спостережуваних легких частинок) та набагато важчих правосторонніх нейтрино, які наразі є лише теоретичною можливістю. («Лівосторонність» частинок стосується їхніх квантових властивостей.)
Ці правосторонні нейтрино можуть бути в 1015 разів важчими за протони, і вони будуть нестабільними, розпадатися майже миттєво після свого виникнення. Хоча їх не знайдено у сучасному всесвіті, фізики підозрюють, що правосторонні нейтрино могли існувати в моменти після Великого вибуху — можливо, розпадаючись через процес, який імітує порушення CP і сприяє створенню матерії, а не античастинок.
Можливо, нейтрино можуть бути своїми ж античастинками — тобто нейтрино можуть перетворюватися на антинейтрино і навпаки. Цей сценарій, відкриття правосторонніх нейтрино підтверджувало б, зробивши нейтрино фундаментально відмінними від більш звичних частинок, таких як кварки та електрони. Якщо антинейтрино можуть перетворюватися на нейтрино, це може допомогти пояснити, куди поділися античастинки в найраніші моменти всесвіту.
Один зі способів перевірити цю ідею — шукати незвичний тип радіоактивного розпаду — теоретично запропонований, але досі не спостережений — відомий як «нейтрино-нульовий подвійний бета-розпад». У звичайному подвійно бета-розпаді два нейтрони в ядрі одночасно розпадаються на протони, вивільнюючи два електрони і два антинейтрино в процесі. Але якщо нейтрино можуть діяти як свої власні античастинки, то два нейтрино можуть взаємознищити одне одного, залишаючи лише два електрони та сплеск енергії.
Кілька експериментів вже проводяться або заплановані для пошуку цього процесу розпаду, включаючи експеримент KamLAND-Zen в японському центрі виявлення нейтрино Kamioka; експеримент nEXO у лабораторії SNOLAB в Онтаріо, Канаді; експеримент NEXT у Канфранковій підземній лабораторії в Іспанії; та експеримент LEGEND у лабораторії Гран Сассо в Італії. KamLAND-Zen, NEXT та LEGEND вже працюють.
Хоча ці експерименти розрізняються в деталях, вони всі застосовують одну загальну стратегію: вони використовують величезний резервуар щільного радіоактивного матеріалу з масивами детекторів, що шукають вивільнення незвично енергійних електронів. (Очікувані супутники нейтрино будуть відсутні, з енергією, що мала б бути у них, замість цього буде перенесена електронами.)
Хоча нейтрино залишаються однією з найзагадковіших з відомих частинок, вони повільно, але впевнено відкривають свої таємниці. Як вони це роблять, вони можуть розгадати загадку нашого матеріально домінованого всесвіту — всесвіту, що, здається, дозволяє допитливим істотам на зразок нас процвітати. Нейтрино, які проходять безшумно через ваше тіло кожну секунду, поступово відкривають всесвіт у новому світлі.
«Я вважаю, що ми вступаємо в дуже захоплюючу еру», — говорить Тарнер.