Naukowcy lubią odkrywać tajemnice, a im większa tajemnica, tym większy entuzjazm. W nauce istnieje wiele ogromnych pytań, na które nie ma odpowiedzi, ale kiedy osiągasz sukces, trudno pokonać „Dlaczego jest coś zamiast niczego?”
To może wydawać się pytaniem filozoficznym, ale jest bardzo podatne na badania naukowe. Stwierdzono nieco bardziej konkretnie: „Dlaczego wszechświat składa się z materii, która umożliwia ludzkie życie, abyśmy mogli nawet zadać to pytanie?” Naukowcy prowadzący badania w Japonii ogłosili w zeszłym miesiącu pomiar, który bezpośrednio odnosi się do tego najbardziej fascynującego zapytania. Wydaje się, że ich pomiar nie zgadza się z najprostszymi oczekiwaniami obecnej teorii i może wskazywać na odpowiedź na to ponadczasowe pytanie.
Ich pomiar wydaje się mówić, że dla określonego zestawu cząstek subatomowych materia i antymateria działają inaczej.
Sprawa przeciwko antymaterii
Korzystając z akceleratora J-PARC, zlokalizowanego w Tokai w Japonii, naukowcy wystrzelili wiązkę upiornych cząstek subatomowych zwanych neutrinami i ich odpowiednikami antymaterii (antyneutrinami) przez Ziemię do eksperymentu Super Kamiokande, zlokalizowanego w Kamioka, również w Japonii. Ten eksperyment, zwany T2K (Tokai do Kamiokande), ma na celu ustalenie, dlaczego nasz wszechświat jest zbudowany z materii. Osobliwe zachowanie wykazywane przez neutrina, zwane oscylacją neutrin, może rzucić nieco światła na ten bardzo dokuczliwy problem.
Pytanie, dlaczego wszechświat jest zbudowany z materii, może brzmieć jak osobliwe pytanie, ale istnieje bardzo dobry powód, dla którego naukowcy są tym zaskoczeni. Jest tak dlatego, że oprócz wiedzy o istnieniu materii naukowcy znają również antymaterię.
W 1928 roku brytyjski fizyk Paul Dirac zaproponował istnienie antymaterii - antagonistycznego rodzeństwa materii. Połącz równe ilości materii i antymaterii i obydwa unicestwią się, co spowoduje uwolnienie ogromnej ilości energii. A ponieważ zasady fizyki zwykle działają równie dobrze odwrotnie, jeśli masz ogromną ilość energii, może ona przekształcić się w dokładnie równe ilości materii i antymaterii. Antymateria została odkryta w 1932 roku przez amerykańskiego Carla Andersona, a badacze mieli prawie sto lat na zbadanie jej właściwości.
Jednak to wyrażenie „w dokładnie równych ilościach” stanowi sedno zagadki. W krótkich chwilach zaraz po Wielkim Wybuchu wszechświat był pełen energii. W miarę rozszerzania i chłodzenia energia ta powinna była zostać przekształcona w równe części materii i antymaterii w cząstki subatomowe, które powinny być obserwowane dzisiaj. A jednak nasz wszechświat składa się zasadniczo wyłącznie z materii. Jak to możliwe?
Licząc liczbę atomów we wszechświecie i porównując to z ilością energii, którą widzimy, naukowcy stwierdzili, że „dokładnie równe” nie jest całkiem właściwe. W jakiś sposób, kiedy wszechświat miał około jednej dziesiątej trylionowej części sekundy, prawa natury przechylały się nieco tak lekko w kierunku materii. Na każde 3 000 000 000 cząstek antymaterii było 3 000 000 0001 cząstek materii. Łącznie 3 miliardy cząstek materii i 3 miliardy cząstek antymaterii - i unicestwione z powrotem w energię, pozostawiając niewielki nadmiar materii, aby stworzyć wszechświat, który widzimy dzisiaj.
Odkąd zagadkę tę zrozumiano prawie sto lat temu, badacze badają materię i antymaterię, aby sprawdzić, czy mogą znaleźć zachowanie w cząsteczkach subatomowych, które wyjaśniałoby nadmiar materii. Są pewni, że materia i antymateria są wytwarzane w równych ilościach, ale zauważyli również, że klasa cząstek subatomowych zwanych kwarkami wykazuje zachowania, które nieznacznie faworyzują materię nad antymaterią. Ten konkretny pomiar był subtelny i obejmował klasę cząstek zwanych mezonami K, które mogą przekształcać się z materii w antymaterię iz powrotem. Ale istnieje niewielka różnica w przekształcaniu materii w antymaterię w porównaniu z odwrotnością. Zjawisko to było nieoczekiwane, a jego odkrycie doprowadziło do nagrody Nobla w 1980 r., Ale wielkość tego efektu nie była wystarczająca do wyjaśnienia, dlaczego materia dominuje w naszym wszechświecie.
Widmowe promienie
Dlatego naukowcy zwrócili uwagę na neutrina, aby sprawdzić, czy ich zachowanie może wyjaśnić nadmiar materii. Neutrina to duchy świata subatomowego. Oddziaływując jedynie przez słabą siłę jądrową, mogą one przechodzić przez materię bez interakcji prawie wcale. Aby dać poczucie skali, neutrina powstają najczęściej w reakcjach jądrowych, a największym reaktorem jądrowym w okolicy jest Słońce. Aby uchronić się przed połową neutrin słonecznych, potrzebna byłaby masa ołowiu o głębokości około 5 lat świetlnych. Neutrina tak naprawdę nie wchodzą w interakcje.
W latach 1998–2001 seria eksperymentów - jedna z użyciem detektora Super Kamiokande, a druga z użyciem detektora SNO w Sudbury w Ontario - zdecydowanie potwierdziły, że neutrina wykazują również inne zaskakujące zachowanie. Zmieniają swoją tożsamość.
Fizycy znają trzy różne rodzaje neutrin, każde związane z unikalnym rodzeństwem subatomowym, zwanym elektronami, mionami i tausami. Elektrony powodują elektryczność, a mion i cząsteczka tau są bardzo podobne do elektronów, ale cięższe i niestabilne.
Trzy rodzaje neutrin, zwane neutrinami elektronowymi, neutrinami mionowymi i neutrinami tau, mogą „przekształcać się” w inne typy neutrin iz powrotem. To zachowanie nazywa się oscylacją neutrin.
Oscylacja neutrino jest zjawiskiem wyjątkowo kwantowym, ale jest z grubsza analogiczna do rozpoczynania od miski lodów waniliowych, a po znalezieniu łyżki wracasz do wniosku, że miska jest w połowie waniliowa, a w połowie czekoladowa. Neutrina zmieniają swoją tożsamość z bycia całkowicie jednym typem, na mieszankę typów, na zupełnie inny typ, a następnie z powrotem na typ oryginalny.
Oscylacje antyneutrino
Neutrina to cząstki materii, ale neutrina antymaterii, zwane antyneutrinami, również istnieją. To prowadzi do bardzo ważnego pytania. Neutrina oscylują, ale czy antyneutrina również oscylują i czy oscylują dokładnie tak samo jak neutrina? Odpowiedź na pierwsze pytanie brzmi „tak”, natomiast odpowiedź na drugie nie jest znana.
Rozważmy to trochę pełniej, ale w uproszczony sposób: Załóżmy, że były tylko dwa typy neutrin - mion i elektron. Załóżmy ponadto, że masz wiązkę neutrin czysto mionowych. Neutrina oscylują z określoną prędkością, a ponieważ zbliżają się do prędkości światła, oscylują w funkcji odległości od miejsca, w którym zostały utworzone. W ten sposób wiązka czystych neutrin mionowych będzie wyglądać jak mieszanka typów mionów i elektronów w pewnej odległości, a następnie typy czysto elektronowe w innej odległości, a następnie z powrotem do samego mionu. Neutrina antymaterii robią to samo.
Jeśli jednak neutrina materii i antymaterii oscylują w nieco innych prędkościach, można oczekiwać, że gdybyś był w stałej odległości od punktu, w którym utworzono wiązkę czystych neutrin mionowych lub neutrin mionowych, to w przypadku neutrin zobaczyłbyś jedna mieszanka neutrin mionowych i elektronowych, ale w przypadku neutrin antymaterii zobaczysz inną mieszankę neutrin mionowych i neutrin elektronowych. Rzeczywistą sytuację komplikuje fakt, że istnieją trzy rodzaje neutrin, a oscylacja zależy od energii wiązki, ale są to wielkie idee.
Obserwacja różnych częstotliwości oscylacji przez neutrina i antyneutrina byłaby ważnym krokiem w kierunku zrozumienia faktu, że wszechświat składa się z materii. To nie jest cała historia, ponieważ dodatkowe nowe zjawiska również muszą się utrzymywać, ale różnica między materią a neutrinami antymaterii jest konieczna, aby wyjaśnić, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii.
W obecnie panującej teorii opisującej interakcje neutrin istnieje zmienna, która jest wrażliwa na możliwość, że neutrina i antyneutrina oscylują inaczej. Jeśli zmienna ta wynosi zero, dwa typy cząstek oscylują z identycznymi prędkościami; jeśli ta zmienna różni się od zera, dwa typy cząstek oscylują inaczej.
Kiedy T2K zmierzył tę zmienną, odkryli, że jest ona niezgodna z hipotezą, że neutrina i antyneutrina oscylują identycznie. Nieco technicznie określili zakres możliwych wartości dla tej zmiennej. Istnieje 95 procent szans, że prawdziwa wartość tej zmiennej mieści się w tym zakresie, a tylko 5 procent szans, że prawdziwa zmienna jest poza tym zakresem. Hipoteza „bez różnicy” jest poza zakresem 95 procent.
Mówiąc prościej, obecny pomiar sugeruje, że neutrina i neutrina antymaterii oscylują w różny sposób, chociaż pewność nie rośnie do poziomu pozwalającego na ostateczne twierdzenie. W rzeczywistości krytycy zwracają uwagę, że pomiary o tym poziomie istotności statystycznej należy postrzegać bardzo, bardzo sceptycznie. Ale z pewnością jest to niezwykle prowokujący wynik początkowy, a światowa społeczność naukowa jest bardzo zainteresowana ulepszonymi i bardziej precyzyjnymi badaniami.
Eksperyment T2K będzie nadal rejestrować dodatkowe dane w nadziei na ostateczny pomiar, ale nie jest to jedyna gra w mieście. W Fermilab, położonym poza Chicago, podobny eksperyment o nazwie NOVA strzela do neutrin i neutrin antymaterii do północnej Minnesoty, mając nadzieję, że uda się pokonać T2K. Patrząc bardziej w przyszłość, Fermilab ciężko pracuje nad swoim flagowym eksperymentem o nazwie DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), który będzie miał znacznie lepsze możliwości badania tego ważnego zjawiska.
Chociaż wynik T2K nie jest ostateczny i należy zachować ostrożność, z pewnością jest on kuszący. Biorąc pod uwagę ogrom pytania o to, dlaczego nasz wszechświat wydaje się nie mieć znacznego antymaterii, światowa społeczność naukowa z zapałem czeka na kolejne aktualizacje.
