W kwietniu 2020 roku na łamach prestiżowego czasopisma „Nature” opublikowane zostały dotychczasowe wyniki badań eksperymentu neutrinowego Tokai-to-Kamioka (T2K). Kilkuset fizyków z całego świata prowadziło i analizowało pomiary przybliżające nas do odpowiedzi na pytanie, dlaczego znany nam Wszechświat składa się przede wszystkim z materii. W eksperymencie, wraz z naukowcami z innych polskich instytucji, uczestniczą fizycy z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. O tym niezwykłym doświadczeniu opowiadają prof. dr hab. Jan Kisiel i dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ.

Prof. dr hab. Jan Kisiel

Dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ

Materia i antymateria… Pierwsza z nich odnosi się do wszystkich obiektów, które nas otaczają. Jest na wyciągnięcie ręki. Ba, to budulec tej ręki. O drugiej wiemy, że to najrzadziej występująca i tym samym najdroższa substancja na świecie. Co oznaczają te dwa pojęcia z perspektywy fizyka?

Prof. Jan Kisiel: Gdy mówimy o materii i antymaterii, posługujemy się pojęciami cząstek i antycząstek. Cząstki i antycząstki mają identyczne własności, na przykład tę samą masę czy spin, ale różnią się znakiem liczb kwantowych, takich jak ładunek elektryczny czy tak zwana liczba leptonowa. Takich par znamy w fizyce dużo i zostały dosyć dobrze poznane. Ich przykładami są elektron i pozyton, proton oraz antyproton czy neutron i antyneutron. Te ostatnie są cząstkami elektrycznie obojętnymi, różniącymi się kwarkami bądź antykwarkami, które je tworzą.

Prof. Arkadiusz Bubak: Traktujemy antymaterię jako coś niezwykłego. Tymczasem antycząstki występują na przykład w naszych organizmach. Ciało człowieka składa się głównie z materii – to fakt. Tworzą je takie pierwiastki, jak: tlen, węgiel, wodór, azot, wapń czy fosfor, ale też – w zdecydowanie mniejszej ilości – potas, sód, siarka, magnez czy chlor. Co ważne, część z nich to pierwiastki nietrwałe, które ulegają rozpadowi. Do tej grupy należy promieniotwórczy potas 40K, który w wyniku tak zwanego rozpadu β+ emituje pozytony, czyli dodatnie elektrony, a więc… antycząstki.

JK: Tak powstałe pozytony niemal natychmiast trafiają na elektrony i dochodzi do zjawiska zwanego anihilacją. To pewien rodzaj oddziaływania cząstek i antycząstek, w wyniku którego powstają kwanty promieniowania elektromagnetycznego gamma. W praktyce oznacza to, że jeśli cząstka natrafi na antycząstkę, natychmiast obie zamieniają się w czystą energię. Tak właśnie dzieje się w naszym organizmie i w otaczającym nas Wszechświecie, choć na co dzień nie odczuwamy żadnych skutków tych procesów.

To samo stałoby się, gdyby atom spotkał się z antyatomem…

JK: O ile z atomami jesteśmy dosyć dobrze zaznajomieni, o tyle antyatomy nie występują w przyrodzie. Wielkim sukcesem było wyprodukowanie w ośrodku Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN antywodoru składającego się z antyprotonu i pozytonu. To najprostszy atom i jednocześnie wielki krok w badaniach nad antymaterią. Analizy antywodoru wykazały, że ma on takie same własności jak wodór. Zaobserwowaliśmy zatem pełną symetrię materia – antymateria, w tym takie same poziomy energetyczne czy identyczną masę. Proces anihilacji i tu zachodzi błyskawicznie, podobnie jak w przypadku cząstek i antycząstek. W związku z tym badanie własności antyatomu było także ogromnym wyzwaniem technologicznym. Niełatwo było uchronić ten cenny antywodór przed natychmiastową anihilacją.

Dlaczego zatem Wszechświat jest złożony głównie z materii?

AB: Wielki Wybuch powinien stworzyć równe ilości materii i antymaterii we wczesnym Wszechświecie. Ponieważ w procesie kreacji i anihilacji materia oraz antymateria są tworzone i niszczone razem – nie byłoby Wszechświata, który znamy, lecz powstałaby tylko czysta energia będąca efektem anihilacji wszystkich cząstek i antycząstek. Tak się jednak nie stało. Oczywiście zdecydowana większość materii i antymaterii zamieniła się na to szczególne promieniowanie w wyniku anihilacji, ale pozostała pewna resztka, resztka materii właśnie, która dziś jest wszystkim, co znamy i co nas otacza, jest też nami. Szacuje się, że przetrwała 1 na miliard cząstek. Ta delikatna różnica wystarczyła, aby powstał Wszechświat.

Czemu zawdzięczamy więc nasze materialne istnienie?

JK: Opieramy się na pewnych teoriach i założeniach, które dotyczą przede wszystkim Wielkiego Wybuchu, czyli momentu, w którym Wszechświat powstawał. Fizycy, chyba w zdecydowanej większości, skłaniają się dziś ku tak zwanym warunkom Sacharowa. Przyjmuje się, że tuż po Wielkim Wybuchu zachodził proces o nazwie bariogeneza. To właśnie wtedy miały powstać główne składniki materii, czyli protony i neutrony. Jeśli zatem warunki Sacharowa zostałyby rzeczywiście spełnione, bariogeneza byłaby możliwa we wczesnym Wszechświecie. Tu zbliżamy się już powoli do badań prowadzonych obecnie w ramach eksperymentu neutrinowego Tokai- to-Kamioka (T2K), w którym uczestniczymy i który, krok po kroku, przybliża nas do wyjaśnienia tej zagadki.

AB: Jednym z trzech warunków sformułowanych przez radzieckiego fizyka jądrowego Andrieja Sacharowa było tak zwane łamanie symetrii C i CP przez oddziaływania. Mówiliśmy już o tym, że materia i antymateria mają te same własności. Zakładaliśmy również, że oddziałują w ten sam sposób. Okazuje się jednak, że może tak nie być. Istnieją pewne przesłanki, które świadczą o występowaniu niewielkich różnic w oddziaływaniach materii i antymaterii. Kluczowe pytanie brzmi więc, jakie są to różnice i czy one wystarczyły, aby doprowadzić do powstania takiego Wszechświata, jaki znamy. To właśnie badamy.

JK: W eksperymencie T2K testujemy drugi warunek Sacharowa, o którym wspomniał już prof. Arkadiusz Bubak, czyli łamanie symetrii ładunkowo-przestrzennej CP (ang. Charge-Parity Symmetry). W tym przypadku musiałoby więc dochodzić do powstawania różnic w oddziaływaniu przy zmianie cząstka – antycząstka (symetria C), jak i odbicia przestrzennego (lustrzanego), czyli tak zwanej parzystości przestrzennej (symetria P).

Łamanie symetrii badane jest jednak w przypadku tak zwanych oddziaływań słabych, a zatem na poziomie cząstek i antycząstek elementarnych. Spełnienie warunków, o których rozmawiamy, oznaczałoby, że zmiana znaku wszystkich ładunków elektrycznych na przeciwne oraz zmiana parzystości sprawiają, iż oddziałujące z materią cząstki i antycząstki zachowują się po prostu inaczej…

JK: Nie bez powodu zajmujemy się badaniem natury neutrin. Poszukiwania sygnałów łamania symetrii CP prowadzone są dopiero na poziomie oddziaływań elementarnych. W 1964 roku zostało odkryte łamanie symetrii CP dla kwarków. To był bardzo ważny wynik dla fizyków. Został uhonorowany Nagrodą Nobla w 1980 roku, którą przyznano Jamesowi Croninowi i Valowi Fitchowi. Opisany efekt był jednak zbyt mały, żeby tłumaczyć aż tak olbrzymią asymetrię materii i antymaterii we Wszechświecie.

Kwarki to jedna grupa cząstek. Drugą są leptony, do których należą: elektron, mion, taon, neutrina: elektronowe, mionowe i taonowe oraz sześć odpowiadających im antycząstek. Łącznie dwanaście elementów.

JK: Okazuje się, że można prowadzić interesujące badania, obserwując pewne różnice w tak zwanej oscylacji neutrin. Jest to proces, w wyniku którego neutrina zmieniają swój rodzaj, na przykład na drodze między detektorami. Za odkrycie tego procesu także została przyznana Nagroda Nobla. Otrzymali ją Takaaki Kajita i Arthur McDonald w 2015 roku.

AB: Oscylują zarówno neutrina, jak i antyneutrina. Aby badać potencjalne różnice między tymi oscylacjami, trzeba dysponować potężnym źródłem, które dostarczy nam zarówno cząstek, jak i antycząstek do badań. W eksperymencie T2K wiązka neutrin i antyneutrin mionowych produkowana jest w laboratorium J-PARC w miejscowości Tokai w Japonii.

JK: Raz puszczana jest wiązka neutrin mionowych i prowadzone są obserwacje ich oscylacji na neutrina elektronowe, potem pojawia się wiązka antyneutrin mionowych i przyglądamy się procesowi ich oscylacji na antyneutrina elektronowe. Gdyby proces był symetryczny, nie dostrzeglibyśmy różnic. Tu dochodzimy do sedna analiz wykonanych w ramach eksperymentu T2K. Okazuje się, że z pewną dozą prawdopodobieństwa możemy stwierdzić, iż owa symetria jest łamana. Mamy zatem sygnał łamania symetrii CP w sektorze leptonowym. To może być brakujący element, który może przybliżyć nas do wyjaśnienia różnicy między obserwowanymi ilościami materii i antymaterii we Wszechświecie.

Mówią Panowie jednak o pewnym wskazaniu, nie o odkryciu. Dlaczego jest to tak ważne?

AB: Jest to kwestia dokładności wyników badań. Już w 2016 roku naukowcy prowadzący badania w ramach eksperymentu T2K podali – z pewnym prawdopodobieństwem – że taka różnica występuje. Kluczowe jest więc to prawdopodobieństwo. Łamanie symetrii między materią a antymaterią w oscylacjach neutrin opisuje parametr δCP. Na podstawie danych zgromadzonych do końca 2018 roku po raz pierwszy, z bardzo dużym prawdopodobieństwem na poziomie ufności 99,73% (tzw. 3 sigma), wykluczono prawie połowę z możliwych wartości tego parametru, co wskazuje na silną preferencję wzmocnienia dla neutrin. To jak na razie najlepszy wynik, ale jeszcze zbyt mało przekonujący, abyśmy mogli to nazwać odkryciem.

Z jakim prawdopodobieństwem fizycy eksperymentatorzy musieliby stwierdzić zachodzenie łamania symetrii, aby mieć fizyczną pewność?

JK: Przy prowadzeniu tego typu eksperymentów na każdym kroku zadajemy sobie pytanie, czy na pewno wzięliśmy pod uwagę wszystkie czynniki mogące mieć wpływ na wyniki badań. Ryzyko błędu przy analizie tak słabych oddziaływań jest duże, nietrudno o zafałszowany obraz procesów. Nigdy nie będziemy pewni na 100%, ale jeśli kilkuset fizyków z wielu ośrodków naukowych na świecie rozważa tę kwestię przez wiele miesięcy, to mnie to przekonuje. W końcu przychodzi moment, gdy wspólnie decydujemy się udostępnić kolejną partię wyników prowadzonych przez nas badań. W przypadku tej publikacji punktem przełomowym było wskazanie najsilniejszego jak dotąd ograniczenia na parametr opisujący łamanie symetrii między materią a antymaterią, o czym wspomniał przed chwilą prof. Arkadiusz Bubak.

AB: Istotnym parametrem w ocenie prawdopodobieństwa jest sigma. W przypadku wartości 99,73% mówimy o poziomie 3 sigma. Abyśmy mogli uzyskany wynik uznać za „pewny”, owo prawdopodobieństwo musiałoby być określone na poziomie ufności 5 sigma, czyli 99,99994%. Brzmi nieco dziwnie? W ten sposób można zdefiniować różnicę między wskazaniem a odkryciem. Jesteśmy już blisko odkrycia, ale na razie możemy tylko wskazywać z prawdopodobieństwem na poziomie 99,73%, że dochodzi do łamania symetrii CP w oscylacjach neutrin.

Mamy 2020 rok. W jaki sposób eksperyment T2K jest rozwijany, aby wskazanie mogło stać się odkryciem?

JK: Eksperyment T2K składa się z dwóch detektorów. Jeden, tak zwany bliski detektor, rejestruje neutrina przed wystąpieniem oscylacji. Drugi – detektor daleki – bada ewentualne ich oscylacje. Bliski jest obecnie unowocześniany, abyśmy mogli z jeszcze większą precyzją badać zachodzące procesy. Dążymy między innymi do tego, aby podniesiona została intensywność wiązki cząstek (neutrin) i antycząstek (antyneutrin). Dzięki temu będziemy mogli obserwować więcej przypadków oscylacji w tym samym czasie. Jak już wspominaliśmy, bliski detektor zlokalizowany jest w Japonii, w Tokai. Daleki – Super-Kamiokande – znajduje się w kopalni we wnętrzu góry w japońskiej miejscowości Kamioka. Stąd nazwa eksperymentu T2K: Tokai-to-Kamioka. Lokalizacja jest nieprzypadkowa. Ogromne masy skalne stanowią naturalną barierę dla promieniowania kosmicznego, redukując tło, dzięki czemu mamy szansę obserwować jakiekolwiek oddziaływania samych neutrin. To pokazuje też technologiczne wyzwania dla prowadzenia eksperymentów neutrinowych.

AB: Neutrina takie już są. Proszę sobie wyobrazić, że przez każdy centymetr Pani ciała w każdej sekundzie przechodzi około 100 mld neutrin. Prawdopodobieństwo oddziaływania neutrin jest jednak tak małe, że, szacując, w ciągu całego życia człowieka tylko kilka neutrin ma szansę wejść w interakcję z cząstkami, z których składa się jego ciało. Żeby je zatrzymać, musielibyśmy zbudować… betonowy mur o grubości 5 lat świetlnych.

To tłumaczy, dlaczego detektory są konstruowane w tak niedostępnych miejscach, jak wnętrze góry i podziemia.

AB: Niezwykle czuła musi być też aparatura pomiarowa. W tej chwili przygotowane są prototypy dwóch części detektora bliskiego. Kilka segmentów będzie unowocześnianych, co wymaga ogromnych nakładów finansowych i czasu. Jednocześnie trwają prace nad zwiększeniem intensywności wiązki neutrin i antyneutrin w centrum akceleratorowym J-PARC w Tokai w Japonii. To pozwoli zwiększyć dokładność pomiarów.

JK: Podjęte prace nie oznaczają oczywiście naszego naukowego spoczynku. Drugi ważny aspekt badań, który także jest realizowany w ramach eksperymentu T2K, to określanie prawdopodobieństwa oddziaływania neutrin z materią. Niezwykłe cząstki elementarne wciąż kryją wiele tajemnic.

Dziękuję za rozmowę.