Standardowy model fizyki cząstek był głównym sposobem wyjaśniania, jakie są podstawowe budulce materii i jak oddziałują one przez dziesięciolecia. Po raz pierwszy zaproponowany w latach siedemdziesiątych, model twierdzi, że dla każdej utworzonej cząstki istnieje antycząstka. Jako taka, niezmienna tajemnica, jaką stanowi ten model, dlaczego Wszechświat może istnieć, jeśli teoretycznie składa się z równych części materii i antymaterii.
Ta pozorna rozbieżność, znana jako naruszenie parytetu ładowania (CP), była przedmiotem eksperymentów od wielu lat. Ale do tej pory nie przedstawiono ostatecznej demonstracji tego naruszenia ani tego, jak wiele materii może istnieć we Wszechświecie bez jego odpowiednika. Ale dzięki nowym odkryciom opublikowanym w ramach międzynarodowej współpracy Tokai-to-Kamioka (T2K) możemy być o krok bliżej do zrozumienia, dlaczego ta rozbieżność istnieje.
Po raz pierwszy zaobserwowane w 1964 r. Naruszenie CP sugeruje, że pod pewnymi warunkami nie obowiązują prawa symetrii ładunku i symetrii parzystości (inaczej symetrii CP). Prawa te mówią, że fizyka rządząca cząsteczką powinna być taka sama, gdyby została wymieniona z jej antycząstką, podczas gdy jej współrzędne przestrzenne zostałyby odwrócone. Z tej obserwacji wyłoniła się jedna z największych tajemnic kosmologicznych.
Jeśli prawa rządzące materią i antymaterią są takie same, to dlaczego Wszechświat jest tak zdominowany przez materię? Alternatywnie, jeśli materia i antymateria są zasadniczo różne, to w jaki sposób zgadza się to z naszymi pojęciami symetrii? Odpowiedź na te pytania jest nie tylko ważna, jeśli chodzi o nasze dominujące teorie kosmologiczne, ale są one również nieodłącznym elementem zrozumienia słabych interakcji rządzących cząsteczkami.
Międzynarodowa współpraca T2K, ustanowiona w czerwcu 2011 roku, jest pierwszym na świecie eksperymentem poświęconym odpowiedziom na tę tajemnicę poprzez badanie oscylacji neutrino i antyneutrino. Eksperyment rozpoczyna się od wytworzenia wiązek neutrin mionowych (lub antyneutrin mionowych) o wysokiej intensywności w kompleksie badawczym Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), które są następnie wystrzeliwane w kierunku detektora Super-Kamiokande w odległości 295 km.
Detektor ten jest obecnie jednym z największych i najbardziej wyrafinowanych na świecie, przeznaczonym do wykrywania i badania neutrin słonecznych i atmosferycznych. Gdy neutrina przemieszczają się między dwoma obiektami, zmieniają „smak” - przechodząc z neutrin mionowych lub antyneutrinowych do neutrin elektronowych lub antyneutrinowych. Monitorując te wiązki neutrin i antyneutrin, eksperyment obserwuje różne oscylacje.
Ta różnica w oscylacji pokazałaby, że istnieje nierównowaga między cząsteczkami i antycząstkami, a tym samym dostarcza pierwszy ostateczny dowód naruszenia CP po raz pierwszy. Oznaczałoby to również, że istnieje fizyka poza modelem standardowym, którą naukowcy jeszcze nie zbadali. W kwietniu ukazał się pierwszy zestaw danych wygenerowany przez T2K, który przyniósł wymowne wyniki.
Jak powiedział Mark Hartz, współpracownik T2K i asystent profesora projektu Kavli IPMU w najnowszym komunikacie prasowym:
„Mimo że zestawy danych są wciąż zbyt małe, aby wydać jednoznaczne oświadczenie, zauważyliśmy słabą preferencję dla dużych naruszeń CP i cieszymy się, że możemy nadal gromadzić dane i dokładniej wyszukiwać przypadki naruszenia CP”.
Wyniki te, które zostały niedawno opublikowane w Listy z przeglądu fizycznego, obejmują wszystkie serie danych od stycznia 2010 r. do maja 2016 r. Łącznie dane te obejmowały 7,482 x 1020 protony (w trybie neutrino), które dały 32 neutrino elektronowe i 135 neutrin mionowych oraz 7,471 × 1020 protony (w trybie antyneutrino), które dały 4 antyneutrino elektronowe i 66 neutrin mionowych.
Innymi słowy, pierwsza partia danych dostarczyła dowodów na naruszenie CP oraz z przedziałem ufności 90%. Ale to dopiero początek i oczekuje się, że eksperyment potrwa jeszcze dziesięć lat, zanim się zakończy. „Jeśli mamy szczęście, a efekt naruszenia CP jest duży, możemy spodziewać się 3 dowodów sigma lub około 99,7% poziomu ufności w przypadku naruszenia CP do 2026 roku”, powiedział Hartz.
Jeśli eksperyment się powiedzie, fizycy mogą w końcu odpowiedzieć, jak to jest, że wczesny Wszechświat nie unicestwił się. Prawdopodobnie pomoże również odkryć aspekty Wszechświata, do których fizycy cząstek chcą się dostać! Można tu znaleźć odpowiedzi na najgłębsze sekrety Wszechświata, na przykład na sposób dopasowania wszystkich jego podstawowych sił.
