Время в нейтринных осцилляциях: можно ли поймать нарушение? экспресс
Нейтрино — крошечные частицы, которые каждую секунду миллиардами проходят сквозь наши тела, не задевая ни одного атома. У них есть загадочное свойство: по пути от Солнца или ускорителя они могут менять свой тип, или «аромат», — например, из электронного нейтрино превращаться в мюонное. Это превращение, называемое осцилляциями, зависит от расстояния, которое пролетела частица, и от её энергии.
Обычно физики проверяют, нарушается ли симметрия времени, сравнивая поведение нейтрино и их антиподов — антинейтрино. Но авторы новой работы предлагают иной путь: взять только нейтрино и посмотреть, как меняется вероятность превращения мюонного нейтрино в электронное при изменении расстояния до детектора. Если эта вероятность зависит от расстояния несимметрично — то есть при движении вперёд и назад картина разная — значит, время для нейтрино «течёт» по-разному.
Расчёты для двух будущих экспериментов — DUNE в США и T2HK в Японии — показали, что вместе они могут заметить такое нарушение с надёжностью около 4 сигма. При этом DUNE лучше работает в режиме только нейтрино, а T2HK — при сравнении нейтрино и антинейтрино. Второй максимум осцилляций, который будет видеть DUNE, играет ключевую роль: именно там эффект проявляется ярче всего. Оптимальная энергия нейтрино для поиска — от 0,68 до 0,92 гигаэлектронвольт, это примерно энергия частиц, разогнанных в небольшом ускорителе.
Такое открытие помогло бы точнее определить фазу CP — величину, которая описывает, насколько сильно различаются свойства материи и антиматерии. Пока она известна лишь приблизительно, и новые данные могли бы сузить неопределённость. А главное — подтвердить, что на самом фундаментальном уровне время не совсем обратимо.
Оригинальная аннотация
как её написали авторы, на английском arXiv:2608.15960v1
We study the sensitivity of the DUNE and T2HK long-baseline experiments to time reversal (T) violation in neutrino oscillations. Rather than the conventional approach of exchanging initial and final neutrino flavors, we search for T violation through the $$L$$-dependence of the $$ u_\mu \to u_e$$ transition probability at fixed neutrino energy using neutrino data only. Within the standard three-flavour framework, we show that the DUNE and T2HK together can establish the presence of an $$L$$-odd component in the oscillation probability at up to $$\sim 4\sigma$$ significance, with the optimal sensitivity in the energy range $$E_ u \in [0.68, 0.92]$$ GeV. The second oscillation maximum of DUNE plays a crucial role in this analysis. We further show that DUNE is more sensitive to T violation that is running in neutrino-only mode, whereas T2HK provides better sensitivity in the conventional neutrino versus anti-neutrino comparison, making the two experiments complementary to each other in search of the CP phase $$\delta_{\rm CP}$$.
Нейтрино настолько неуловимы, что для их регистрации строят детекторы размером с многоэтажный дом, заполненные десятками тысяч тонн жидкости. И даже такой гигант ловит лишь несколько частиц в день.
В романе Грега Игана «Лестница Шильда» физики сталкиваются с нарушением симметрии времени в вакууме, что приводит к катастрофическим последствиям. Нейтринные эксперименты — скромный, но реальный шаг к пониманию подобных эффектов.