Honderden topwetenschappers uit het Japanse T2K-experiment en het Amerikaanse NOvA-experiment publiceerden gezamenlijk een baanbrekend onderzoeksresultaat in het gezaghebbende internationale wetenschappelijke tijdschrift Nature.De twee beste neutrino-onderzoeksteams ter wereld hebben voor het eerst met succes gegevens samengevoegd en geanalyseerd, en de meest nauwkeurige meetgegevens tot nu toe verkregen over de ‘oscillatie’ van neutrino’s tijdens de vlucht.

Deze historische samenwerking markeert niet alleen een belangrijke stap in het onderzoek naar deeltjesfysica, maar levert ook nieuw bewijs ter ondersteuning van het ultieme wetenschappelijke mysterie waarom ons universum gevuld is met materie in plaats van met antimaterie.

Dit gezamenlijke onderzoek werd mede georganiseerd door Kendall Mahn, hoogleraar natuurkunde en astronomie aan de Michigan State University en medewoordvoerder van de T2K-samenwerkingsorganisatie, en vele andere wetenschappers, en kreeg krachtige steun van het Amerikaanse ministerie van Energie. Wetenschappers wijzen erop dat volgens het bestaande standaard kosmologische model materie en antimaterie aan het begin van de oerknal in precies gelijke hoeveelheden hadden moeten ontstaan. Volgens de wetten van de natuurkunde zullen materie en antimaterie die met elkaar corresponderen echter volledig worden vernietigd en omgezet in pure energie wanneer ze botsen. Als dit proces volledig symmetrisch zou zijn, zouden er vandaag de dag geen entiteiten in het universum zijn en zouden sterren, planeten en het leven zelf nooit mogelijk zijn. Daarom moet er een mechanisme zijn dat deze symmetrie verbreekt – natuurkundigen noemen het ‘schending van de symmetrie van ladingsconjugatie-pariteitsinversie’ (d.w.z. CP-schending), en het kleine en mysterieuze neutrino is de sleutel tot het vinden van deze doorbraak.

Neutrino's zijn een van de meest voorkomende maar meest ongrijpbare elementaire deeltjes in het universum. Joseph Walsh, een postdoctoraal onderzoeker aan de Michigan State University, legde uit dat biljoenen neutrino's elke seconde door het menselijk lichaam gaan, maar omdat hun massa extreem klein is en zelden interactie heeft met andere materie, zal de overgrote meerderheid van de neutrino's rechtstreeks 'doordringen'. Om ze te kunnen observeren, moeten wetenschappers deeltjesbronnen met hoge intensiteit en enorme ondergrondse detectoren bouwen. De afgelopen decennia hebben natuurkundigen aangetoond dat neutrino's massa hebben en tijdens transport van het ene type ("smaak") naar het andere kunnen veranderen, een fenomeen dat bekend staat als "neutrino-oscillaties". Als neutrino's en hun tegenhangers antineutrino's verschillen vertonen in hun oscillerende gedrag, zou dit een sleutel kunnen zijn om het mysterie van de dominantie van materie in het universum te ontsluiten.

Deze grensoverschrijdende samenwerking combineert op slimme wijze de unieke voordelen van de twee grote experimenten. Het T2K-experiment (volledige naam "Tokai to Kamiokande") dat in Japan actief is, lanceert de Muon-neutrinostraal geproduceerd door het Japan Proton Accelerator Research Park (J-PARC) in Tokai Village, prefectuur Ibaraki, en gaat door 295 kilometer aardlagen naar Gifu. De Super-Kamiokande-detector in Kamioka Town, Hida City, prefectuur; en het NOvA-experiment in de Verenigde Staten zendt een neutrinostraal uit vanuit het Fermi National Accelerator Laboratory nabij Chicago en zendt deze 810 kilometer naar een gigantische detector in het noorden van Minnesota. Hoewel de twee projecten hetzelfde wetenschappelijke probleem beogen op te lossen, gebruiken ze zeer verschillende bundelenergieën en transmissieafstanden. Door acht jaar NOvA-observatiegegevens te combineren met tien jaar verzamelde gegevens van T2K konden wetenschappers profiteren van complementaire technische kenmerken en de meetnauwkeurigheid van relevante fysieke parameters aanzienlijk verbeteren.

Naast het verdiepen van het begrip van het neutrino-oscillatieproces, biedt de gezamenlijke analyse ook nieuwe beperkingen voor het probleem van de neutrino-massaorde. De wetenschappelijke gemeenschap weet dat neutrino's in drie massatoestanden bestaan, maar de volgorde waarin hun massa's zijn gerangschikt (dat wil zeggen, "normale orde" of "omgekeerde orde") is nog niet opgehelderd. De resultaten van het gezamenlijke onderzoek laten zien dat als toekomstige experimenten bevestigen dat neutrino's een omgekeerde massaorde volgen, de bestaande gezamenlijke gegevens direct krachtig ondersteunend bewijs zullen leveren voor het fenomeen van CP-schending; als uiteindelijk wordt bevestigd dat het om een ​​normale massaorde gaat, zullen er meer gegevens moeten worden verzameld om te bepalen of neutrino's de CP-symmetrie schenden.

Dit gezamenlijke onderzoek dat het oostelijk en westelijk halfrond omvat, getuigt van een zeer hoog niveau van internationale wetenschappelijke onderzoekssamenwerking. Het NOvA-project brengt ruim 250 experts uit 8 landen en 49 wetenschappelijke onderzoeksinstellingen samen, terwijl het T2K-project ruim 560 leden uit 15 landen en 75 instellingen telt. Sinds de lancering van het gezamenlijke dataplan in 2019 hebben de twee partijen de barrières van verschillen tussen verschillende experimentele omgevingen, detectietechnologieën en analyse-instrumenten overwonnen. Wetenschappers zeiden dat, hoewel dit resultaat nog niet alle ultieme mysteries van neutrino's volledig heeft opgelost, het niet alleen een solide basis heeft gelegd voor de volgende generatie deeltjesfysica-experimenten, maar ook met succes heeft bewezen dat datafusie tussen teams en apparaten wetenschappelijke waarde kan creëren die ongeëvenaard is door een enkel experiment. Momenteel blijven de twee teams observatiegegevens verzamelen en zijn ze begonnen met de voorbereidingen voor de volgende fase van gezamenlijke analyse.