Videnskabsfolk er glade for at udforske mysterier, og jo større mysteriet er, jo større er begejstringen. Der er mange store ubesvarede spørgsmål inden for videnskaben, men når man vil gøre det store, er det svært at slå “Hvorfor er der noget i stedet for ingenting?”
Det kan virke som et filosofisk spørgsmål, men det er et spørgsmål, der er meget velegnet til videnskabelig undersøgelse. Lidt mere konkret formuleret: “Hvorfor er universet lavet af den slags stof, der gør menneskeliv muligt, så vi overhovedet kan stille dette spørgsmål?” Forskere, der forsker i Japan, har i sidste måned annonceret en måling, der direkte tager fat på dette yderst fascinerende spørgsmål. Det ser ud til, at deres måling er uenig med de simpleste forventninger i den nuværende teori og meget vel kunne pege i retning af et svar på dette tidløse spørgsmål.
Deres måling synes at sige, at for et bestemt sæt af subatomare partikler opfører stof og antimaterie sig forskelligt.
Materie vs. antimaterie
Med J-PARC-acceleratoren, der ligger i Tokai i Japan, affyrede forskerne en stråle af spøgelsesagtige subatomare partikler kaldet neutrinoer og deres antimaterie-modstykker (antineutrinoer) gennem Jorden til Super Kamiokande-eksperimentet, der ligger i Kamioka, også i Japan. Dette eksperiment, der kaldes T2K (Tokai to Kamiokande), har til formål at finde ud af, hvorfor vores univers består af stof. En ejendommelig adfærd, som neutrinoer udviser, kaldet neutrinooscillation, kan måske kaste lys over dette meget irriterende problem.
Det kan lyde som et mærkeligt spørgsmål at spørge, hvorfor universet er lavet af stof, men der er en meget god grund til, at forskerne er overraskede over dette. Det skyldes, at forskerne ud over at kende til eksistensen af stof også kender til antimaterie.
I 1928 foreslog den britiske fysiker Paul Dirac eksistensen af antimaterie – en antagonistisk søskende til stof. Hvis man kombinerer lige store mængder stof og antimaterie, vil de to stoffer tilintetgøre hinanden, hvilket resulterer i frigivelse af en enorm mængde energi. Og da fysikkens principper normalt fungerer lige så godt omvendt, kan man, hvis man har en enorm mængde energi, omdanne den til nøjagtig lige store mængder stof og antimaterie. Antimaterien blev opdaget i 1932 af amerikaneren Carl Anderson, og forskerne har haft næsten et århundrede til at studere dens egenskaber.
Den sætning “i nøjagtig lige store mængder” er imidlertid det springende punkt i gåden. I de korte øjeblikke umiddelbart efter Big Bang var universet fyldt med energi. Efterhånden som det udvidede sig og afkøledes, burde denne energi være blevet omdannet til lige store dele stof og subatomare antimateriepartikler, som burde kunne observeres i dag. Og alligevel består vores univers stort set udelukkende af stof. Hvordan kan det være?
Ved at tælle antallet af atomer i universet og sammenligne det med den mængde energi, vi kan se, har forskerne fundet ud af, at “nøjagtig lige meget” ikke er helt rigtigt. På en eller anden måde, da universet var omkring en tiendedel af en trilliontedel af et sekund gammelt, skævede naturlovene en lille smule i materiens retning. For hver 3.000.000.000.000 antimateriepartikler var der 3.000.000.001 stofpartikler. De 3 milliarder stofpartikler og 3 milliarder antimateriepartikler blev kombineret – og tilintetgjort tilbage til energi, hvilket efterlod det lille overskud af stof til at udgøre det univers, vi ser i dag.
Siden denne gåde blev forstået for næsten et århundrede siden, har forskere studeret stof og antimaterie for at se, om de kunne finde en adfærd hos subatomare partikler, der kunne forklare overskuddet af stof. De er sikre på, at stof og antimaterie er lavet i lige store mængder, men de har også observeret, at en klasse af subatomare partikler kaldet kvarker udviser en adfærd, der i mindre grad favoriserer stof frem for antimaterie. Denne særlige måling var subtil og involverede en klasse af partikler kaldet K-mesoner, som kan konvertere fra stof til antimaterie og tilbage igen. Men der er en lille forskel på, om stof kan omdannes til antimaterie eller omvendt. Dette fænomen var uventet, og dets opdagelse førte til Nobelprisen i 1980, men størrelsen af effekten var ikke nok til at forklare, hvorfor materien dominerer i vores univers.
Spøgelsesagtige stråler
Så har forskerne vendt deres opmærksomhed mod neutrinoer for at se, om deres adfærd kan forklare det overskydende stof. Neutrinos er spøgelser fra den subatomare verden. Da de kun interagerer via den svage kernekraft, kan de passere gennem stof uden at interagere nærmest overhovedet. For at give en fornemmelse af størrelsesordenen kan det nævnes, at neutrinoer oftest dannes ved atomreaktioner, og den største atomreaktor, der findes, er Solen. For at beskytte sig selv mod halvdelen af solens neutrinos ville det kræve en masse af solidt bly, der er ca. 5 lysår dyb. Neutrinoer interagerer virkelig ikke ret meget.
Mellem 1998 og 2001 viste en række eksperimenter – et med Super Kamiokande-detektoren og et andet med SNO-detektoren i Sudbury i Ontario – definitivt, at neutrinoer også udviser en anden overraskende adfærd. De ændrer deres identitet.
Fysikerne kender tre forskellige slags neutrinoer, der hver især er forbundet med en unik subatomar søskende, kaldet elektroner, myoner og taus. Elektroner er det, der forårsager elektricitet, og myon- og tau-partikler minder meget om elektroner, men er tungere og ustabile.
De tre slags neutrinoer, kaldet elektron-neutrino, myon-neutrino og tau-neutrino, kan “forvandle” sig til andre typer neutrinoer og tilbage igen. Denne adfærd kaldes neutrinooscillation.
Neutrinooscillation er et unikt kvantefænomen, men det svarer nogenlunde til at starte med en skål med vaniljeis, og når man går ud og finder en ske, kommer man tilbage og opdager, at skålen er halvt vanilje og halvt chokolade. Neutrinoer ændrer deres identitet fra at være helt af én type, til en blanding af typer, til en helt anden type og så tilbage til den oprindelige type.
Antineutrino-svingninger
Neutrinoer er stofpartikler, men der findes også antimaterie-neutrinoer, kaldet antineutrinoer. Og det fører til et meget vigtigt spørgsmål. Neutrinoer svinger, men svinger antineutrinoer også, og svinger de på nøjagtig samme måde som neutrinoer? Svaret på det første spørgsmål er ja, mens svaret på det andet spørgsmål ikke kendes.
Lad os overveje dette lidt mere udførligt, men på en forenklet måde: Lad os antage, at der kun var to neutrino-typer – myon og elektron. Antag endvidere, at man havde en stråle af neutrinos af ren myontype. Neutrinoer svinger med en bestemt hastighed, og da de bevæger sig nær lysets hastighed, svinger de som en funktion af afstanden fra det sted, hvor de blev skabt. En stråle af rene myon-neutrinoer vil således ligne en blanding af myon- og elektrontyper i en vis afstand, derefter rene elektrontyper i en anden afstand og derefter tilbage til ren myon-typen. Antimaterie-neutrinoer gør det samme.
Men hvis stof- og antimaterie-neutrinoer svinger med lidt forskellige hastigheder, ville man forvente, at hvis man var i en fast afstand fra det punkt, hvor en stråle af rene myon-neutrinoer eller myon-antineutrinoer blev skabt, så ville man i neutrino-sagen se en blanding af myon- og elektron-neutrinoer, men i antimaterie-neutrino-sagen ville man se en anden blanding af antimaterie-, myon- og elektron-neutrinoer. Den faktiske situation er kompliceret af, at der er tre slags neutrinoer, og at svingningen afhænger af strålens energi, men dette er de store idéer.
Observationen af forskellige svingningsfrekvenser hos neutrinos og antineutrinos ville være et vigtigt skridt i retning af at forstå, at universet består af stof. Det er ikke hele historien, for yderligere nye fænomener skal også holde, men forskellen mellem stof- og antimaterie-neutrinoer er nødvendig for at forklare, hvorfor der er mere stof i universet.
I den nuværende fremherskende teori, der beskriver neutrino-interaktioner, er der en variabel, der er følsom over for den mulighed, at neutrinoer og antineutrinoer oscillerer forskelligt. Hvis denne variabel er nul, oscillerer de to partikeltyper med samme hastighed; hvis denne variabel afviger fra nul, oscillerer de to partikeltyper forskelligt.
Da T2K målte denne variabel, fandt de, at den var uforenelig med hypotesen om, at neutrinoer og antineutrinoer oscillerer identisk. Lidt mere teknisk set bestemte de et interval af mulige værdier for denne variabel. Der er 95 procent chance for, at den sande værdi for denne variabel ligger inden for dette interval, og kun 5 procent chance for, at den sande variabel ligger uden for dette interval. Hypotesen om “ingen forskel” ligger uden for det 95 procents interval.
Simpler sagt tyder den nuværende måling på, at neutrinoer og antimaterie-neutrinoer svinger forskelligt, selv om sikkerheden ikke når op på et niveau, der gør det muligt at fremsætte en endelig påstand. Kritikere påpeger faktisk, at målinger med dette niveau af statistisk signifikans bør betragtes meget, meget skeptisk. Men det er bestemt et enormt provokerende første resultat, og verdens videnskabelige samfund er yderst interesseret i at se forbedrede og mere præcise undersøgelser.
T2K-eksperimentet vil fortsætte med at registrere yderligere data i håb om at foretage en endelig måling, men det er ikke det eneste spil i byen. På Fermilab, der ligger uden for Chicago, skyder et lignende eksperiment kaldet NOVA både neutrinos og antimaterie-neutrinos til det nordlige Minnesota i håb om at slå T2K til stregen. Og med henblik på fremtiden arbejder Fermilab hårdt på det, der bliver dets flagskibseksperiment, kaldet DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), som vil have langt bedre muligheder for at studere dette vigtige fænomen.
Selv om T2K-resultatet ikke er endeligt, og forsigtighed er på sin plads, er det bestemt fristende. I betragtning af det enorme spørgsmål om, hvorfor vores univers tilsyneladende ikke har nogen nævneværdig antimaterie, vil verdens videnskabelige samfund ivrigt afvente yderligere opdateringer.
Originally published on Live Science.
Don Lincoln er fysikforsker ved Fermilab. Han er forfatter til bogen “The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), og han producerer en række videoer om naturvidenskabelig undervisning. Følg ham på Facebook. De holdninger, der kommer til udtryk i denne kommentar, er hans.
Don Lincoln bidrog med denne artikel til Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Den seneste nyhed