Eksperymenty T2K w Japonii oraz NOvA w Stanach Zjednoczonych przeprowadziły wspólną analizę danych dotyczących oscylacji neutrin i opublikowały jej pierwsze wyniki w prestiżowym czasopiśmie Nature. Szczególny wkład w prace miał dr Tomáš Nosek związany z Narodowym Centrum Badań Jądrowych (NCBJ).

Powszechnie przyjmuje się, że na początku istnienia Wszechświata ilość materii i antymaterii była jednakowa. Jednak w takim przypadku powinna wystąpić całkowita anihilacja materii i antymaterii. Biorąc pod uwagę istnienie nasze i całego otaczającego nas Wszechświata, taka sytuacja nie miała miejsca – z nieznanego powodu materia wygrała z antymaterią. Jednym z tropów, którym obecnie podążają naukowcy, jest szczególne zachowanie cząstek zwanych neutrinami. Są one niezwykle liczne, choć bardzo rzadko oddziałują z pozostałą materią, co czyni je trudnymi do wykrycia. W trakcie „podróży” od miejsca, gdzie powstały, do miejsca, w którym je rejestrujemy, neutrina mogą zmieniać swój typ (tzw. zapach). Naukowcy podejrzewają, że ta właściwość może być powiązana z brakiem symetrii pomiędzy materią a antymaterią we Wszechświecie. 

Jedną z nadal nieznanych właściwości neutrin jest hierarchia ich mas, czyli określenie, które z neutrin jest najlżejsze. Same masy neutrin są niezwykle małe (mniejsze niż 10-³⁷ kg), a dodatkowo nie są bezpośrednio związane z typem (zapachem) neutrina. Każdy z zapachów neutrin składa się z mieszanki trzech mas, a każda z mas może z różnym prawdopodobieństwem zachowywać się jak dowolny zapach. Istnieją dwie możliwe hierarchie mas neutrin – normalna (w której dwie masy są znacznie mniejsze od trzeciej) i odwrócona (w której dwie masy są zdecydowanie większe od trzeciej). W zależności od przyjętej hierarchii, zmieniają się prawdopodobieństwa oscylacji neutrin, jednak różnice te mogą także wynikać z łamania symetrii ładunkowo przestrzennej (symetria CP), czyli różnic pomiędzy cząstkami a antycząstkami. Aby badać te zjawiska, powstały wielkie eksperymenty zrzeszające setki naukowców z całego świata.

Japoński T2K (skrót od „Tokai-to-Kamioka”) oraz amerykański NOvA (skrót od “the NuMI Off-axis ν_e Appearance”) to dwa istniejące obecnie tzw. eksperymenty neutrinowe z długą bazą. Używają intensywnej wiązki neutrin, które przechodzą przez detektor ustawiony blisko źródła wiązki oraz detektor oddalony o kilkaset kilometrów, co pozwala porównać dane pochodzące z obu detektorów, a więc zmiany spektrum i składu wiązek neutrin. Eksperymenty różnią się długością tzw. bazy, czyli odległości między miejscem powstawania wiązki neutrin a miejscem, w którym są rejestrowane, jak również badają różne zakresy energii neutrin. Dzięki temu, połączenie danych pochodzących z tych dwóch miejsc pozwoliło niezwykle precyzyjnie określić różnicę między masami neutrin – z niepewnością mniejszą niż 2%. Badania pokazują także, że stopień łamania symetrii CP może byś silnie ograniczony. Publikacja zawierająca te wyniki ukazała się dzisiaj w czasopiśmie Nature. - Wyniki te są rezultatem dwustronnej współpracy i studiów dwóch zespołów, w których zaangażowanych jest wielu ekspertów z dziedziny fizyki neutrin, technik detekcyjnych i analizy danych, pracujących w bardzo różnych eksperymentach i używających różnych metod i narzędzi badawczych - mówi uczestnik eksperymentu T2K, dr Tomáš Nosek związany z Narodowym Centrum Badań Jądrowych. 

Praca dr. Noska, zatrudnionego w NCBJ w ramach projektu NCN Sonata Bis i nadal współpracującego z Instytutem, miała kluczowe znaczenie w opublikowanej dziś analizie. Polscy naukowcy mają istotny wkład w międzynarodowy eksperyment neutrinowy T2K. Polska Grupa Neutrinowa, w skład której wchodzą badacze z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Warszawskiej, Uniwersytetu Śląskiego, Uniwersytetu Wrocławskiego oraz Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, już od 2007 roku uczestniczy w tym eksperymencie. Nasi naukowcy, fizycy i inżynierowie uczestniczyli w konstrukcji bliskiego detektora T2K, a także zbieraniu danych, przeprowadzaniu symulacji, kalibracji i testów jakości danych. Polscy naukowcy zajmowali się również analizą zbieranych informacji. Znaczenie tej grupy podkreślają istotne funkcje, jakie pełnili i pełnią badacze pochodzący z Polski w ciałach zarządzających eksperymentem (Executive Board, Analysis Steering Group, Publication Board) oraz jako koordynatorzy grup roboczych.

Choć nowe, wspólne wyniki nie odpowiadają jednoznacznie, która z hierarchii mas neutrin jest prawdziwa, pozwoliły one poszerzyć wiedzę fizyków na temat niezwykłych cząstek, jakimi są neutrina. Pokazały również wartość współpracy eksperymentów, które mogą się uzupełniać. Prace te stanowią podstawę dla przyszłych eksperymentów, takich jak powstające w Japonii Hyper-Kamiokande (będącego następcą Super-Kamikande). – Jak pokazała opublikowana dziś analiza, nie ma eksperymentów „rywalizujących”, wszystkie one dzielą wspólny naukowy cel, którym jest badanie zjawiska oscylacji – mówi dr Nosek. –  Współpraca jest w naturalny sposób ważna dla transferu wiedzy, metodologii i doświadczenia, wymiany zasobów, pomysłów i narzędzi. Współpraca między T2K i NOvA to nie tylko prosta suma wyników T2K i NOvA. To coś dużo, dużo więcej. – Jeśli kolejna generacja wielkich eksperymentów neutrinowych nawiąże współpracę, jak NOvA i T2K, możliwy będzie znacznie większy postęp w znalezieniu odpowiedzi na pytania dotyczące właściwości neutrin, łamania symetrii i początków naszego Wszechświata. 

Kontakt dla mediów

dr Jadwiga Witek
Rzecznik prasowa NCBJ
Jadwiga.witek@ncbj.gov.pl
Tel. 665 353 553

Dr hab. Justyna Łagoda
Email: justyna.lagoda@ncbj.gov.pl
Tel.: +48 22 273 28 30

od 27.10 także: Prof. Ewa Rondio
Email: ewa.rondio@ncbj.gov.pl
Tel.: +48 22 273 28 15