Alysia Marino och Eric Zimmerman, fysiker vid CU Boulder, har varit på jakt efter neutriner under de senaste två decennierna.

Det är ingen lätt bedrift:Neutrinos är bland de mest svårfångade subatomära partiklarna som vetenskapen känner till. De har ingen laddning och är så lätta - var och en har en massa många gånger mindre än elektronen - att de endast vid sällsynta tillfällen interagerar med världen omkring dem.

De kan också ha nyckeln till några av fysikens djupaste mysterier.

I en studie publicerad i dag i tidskriften Natur , Marino, Zimmerman och mer än 400 andra forskare i ett experiment som heter T2K kommer närmare att svara på en av de stora:Varför förintade inte universum sig självt i en enorm energiskur inte långt efter Big Bang?

Den nya forskningen tyder på att svaret kommer ner på en subtil diskrepans på det sätt som neutrinos och deras onda tvillingar, antineutrinerna, beter sig – en av de första indikationerna på att fenomen som kallas materia och antimateria kanske inte är de exakta spegelbilderna som många forskare trodde.

Gruppens resultat visar vad forskare kan lära sig genom att studera dessa anspråkslösa partiklar, sa Zimmerman, professor vid institutionen för fysik.

"Även för 20 år sedan, området för neutrinofysik var mycket mindre än det är idag, " han sa.

Marino, en docent i fysik, gick med på. "Det finns fortfarande mycket vi försöker förstå om hur neutriner interagerar, " Hon sa.

Big Bang

Neutrinos, som inte direkt upptäcktes förrän på 1950-talet, produceras ofta djupt inuti stjärnor och är bland de vanligaste partiklarna i universum. Varje sekund, biljoner av dem passerar genom din kropp, även om få om några kommer att reagera med en enda av dina atomer.

För att förstå varför detta kosmiska maskrosfluff är viktigt, det hjälper att gå tillbaka till början – själva början.

Baserat på deras beräkningar, fysiker tror att Big Bang måste ha skapat en enorm mängd materia tillsammans med en lika stor mängd antimateria. Dessa partiklar beter sig exakt som, men har motsatta avgifter från, protonerna, elektroner och allt annat som utgör allt du kan se omkring dig.

Det finns bara ett problem med den teorin:Materia och antimateria utplånar varandra vid kontakt.

"Vårt universum idag domineras av materia och inte antimateria, " Sa Marino. "Så det måste finnas någon process i fysiken som skiljde materia från antimateria och kunde ha gett upphov till ett litet överskott av protoner eller elektroner över deras antipartiklar."

Över tid, det lilla överskottet blev ett stort överskott tills det praktiskt taget ingen antimateria fanns kvar i kosmos. Enligt en populär teori, neutriner bakom denna diskrepans.

Zimmerman förklarade att dessa subatomära partiklar finns i tre olika typer, som forskare kallar "smaker, " med unika interaktioner. De är muonneutrino, elektronneutrino och tau-neutrino. Du kan tänka på dem som fysikerns napolitanska glass.

Dessa smaker, dock, stanna inte kvar. De svänger. Om du ger dem tillräckligt med tid, till exempel, oddsen att en myonneutrino kommer att stanna en myonneutrino kan skifta. Föreställ dig att du öppnar frysen och inte vet om vaniljglassen du lämnade efter dig nu kommer att vara choklad eller jordgubbe, istället.

Men gäller samma sak för antineutrinos? Förespråkare av teorin om "leptogenes" hävdar att om det ens fanns en liten skillnad i hur dessa spegelbilder beter sig, det kan räcka långt för att förklara obalansen i universum.

"Nästa stora steg i neutrinofysiken är att förstå om neutrinoscillationer sker i samma takt som antineutrinooscillationer, " sa Zimmerman.

Reser Japan

Den där, dock, innebär att observera neutriner på nära håll.

T2K, eller Tokai till Kamioka, Experiment går extremt långt för att göra just det. I denna ansträngning, forskare använder en partikelaccelerator för att skjuta strålar som består av neutriner från en forskningsplats i Tokai, Japan, till detektorer i Kamioka - ett avstånd på mer än 180 miles eller hela bredden av Japans största ö, Honshu.

Zimmerman och Marino har båda deltagit i samarbetet sedan 2000-talet. De senaste nio åren, duon och deras kollegor från hela världen har avstått från att studera strålar av muonneutriner och myonantineutriner.

I deras senaste studie, forskarna slog betala smuts:Dessa bitar av materia och antimateria verkar bete sig annorlunda. Muon neutrinos, Zimmerman sa, är mer benägna att oscillera till elektronneutrino än deras motsvarigheter mot neutrino.

Resultaten kommer med stora varningar. Teamets resultat är fortfarande ganska blyga för fysikgemenskapens guldstandard för en upptäckt, ett mått av statistisk signifikans som kallas "fem-sigma". T2K-samarbetet uppgraderar redan experimentet så att det kan samla in mer data och snabbare för att nå det märket.

Men, Marino sa, resultaten ger en av de mest lockande tipsen hittills om att vissa typer av materia och antimateria kan agera annorlunda - och inte i en trivial mängd.

"För att förklara T2K-resultaten, skillnaden måste vara nästan den största summan du kan tänkas få" baserat på teori, Hon sa.

Marino ser studien som ett fönster till neutrinernas fascinerande värld. Det finns många fler angelägna frågor kring dessa partiklar, också:hur mycket, till exempel, väger varje smak av neutrino? Är neutriner, i en riktigt konstig twist, faktiskt sina egna antipartiklar? Hon och Zimmerman deltar i ett andra samarbete, en kommande insats som kallas Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), som kommer att hjälpa den uppgraderade T2K att hitta dessa svar.

"Det finns fortfarande saker vi håller på att ta reda på eftersom neutriner är så svåra att producera i ett labb och kräver så komplicerade detektorer, " sa Marino. "Det finns fortfarande utrymme för fler överraskningar."