일본 물리학자들은 중입자 비대칭(물질과 반물질 사이의 대칭 위반)의 원인을 연구하여 우주에 물질이 존재하는 이유를 설명할 수 있습니다. 그들은 불균형이 중성미자의 행동으로 인한 것이라는 가장 강력한 증거를 발견했습니다. 과학자들의 기사는 네이처 저널에 실렸습니다.
연구원들은 T2K(Tokai to Kamioka) 실험에서 중성미자 진동을 관찰했습니다. 중성미자 진동은 중성미자가 종류를 바꾸는 현상입니다. 이 경우 물리학자들은 뮤온 중성미자와 뮤온 반중성미자가 각각 전자 중성미자와 전자 반중성미자의 "거울" 형태로 전환되는 데 관심을 보였습니다.
현대 우주에서 관찰되는 반물질보다 물질이 우세하기 위한 필수 조건 중 하나는 전하-패리티 대칭(CP-symmetry)의 위반입니다. 대응하는 반입자로 바뀌면서 동시에 미러링됩니다. 쿼크에서 CP 대칭의 파괴가 관찰되었지만 이 파괴의 크기는 중입자 비대칭을 설명하기에는 불충분한 것으로 판명되었습니다. T2K는 중성미자 진동에서 CP 위반을 검색하도록 설계되었습니다.
T2K 동안 뮤온 중성미자와 반중성미자 빔이 일본 동부 해안의 Tokai 마을 근처 J-PARC 양성자 가속기 단지에서 생성되었습니다. 입자는 295km를 이동했으며 Kamioka 광산의 Super-Kamiokande 중성미자 탐지기에 의해 기록되었습니다. 게다가 그 종류는 중성미자 진동의 과정에서 변할 수 있습니다.
대칭 파괴의 정도는 -180도에서 180도 사이의 값을 취할 수 있는 매개변수 δ에 의해 결정됩니다. 매개변수가 0도 또는 180도이면 중성미자와 반중성미자는 CP 대칭을 깨뜨리지 않고 유사한 방식으로 종류를 변경합니다. 그러나 δ는 각각 -90도 또는 90도 값을 취하여 중성미자 또는 반중성미자 진동을 향상시킬 수 있습니다. 연구원들은 탐지기가 반물질이 아니라 물질로 이루어져 있다는 사실로 인해 발생하는 진동의 증폭을 조정했습니다.
얻어진 결과는 -90도의 δ 값과 3시그마 또는 3표준편차에 해당하는 99.7%의 통계적 유의 수준에서 최소 2도에서 165도 범위에서 가장 일치했습니다. 동시에 실험의 감도는 아직 CP 대칭이 깨졌는지 여부를 정확하게 판단하기에 충분하지 않습니다. 이를 위해서는 5시그마 통계적 유의성이 필요합니다. 미래에 과학자들은 실험 설비를 현대화할 것입니다.