A tudósok élvezettel kutatják a rejtélyeket, és minél nagyobb a rejtély, annál nagyobb a lelkesedés. Sok hatalmas megválaszolatlan kérdés van a tudományban, de ha nagyot akarunk, nehéz felülmúlni a “Miért van valami a semmi helyett?”
Ez filozófiai kérdésnek tűnhet, de nagyon is alkalmas a tudományos vizsgálatra. Kicsit konkrétabban megfogalmazva: “Miért áll a világegyetem olyan anyagból, ami lehetővé teszi az emberi életet, hogy egyáltalán feltehetjük ezt a kérdést?”. Japánban kutató tudósok a múlt hónapban bejelentettek egy olyan mérést, amely közvetlenül erre a legizgalmasabb kérdésre ad választ. Úgy tűnik, hogy a mérésük nem egyezik a jelenlegi elmélet legegyszerűbb elvárásaival, és akár ennek az időtlen kérdésnek a megválaszolása felé is mutathat.
A mérésük azt látszik mondani, hogy a szubatomi részecskék egy bizonyos csoportja esetében az anyag és az antianyag másképp viselkedik.
Anyag kontra antianyag
A japán Tokaiban található J-PARC gyorsítót használva a tudósok a Földön keresztül kilőtték a neutrínóknak nevezett kísérteties szubatomi részecskék és antianyag megfelelőik (antineutrínók) sugarát a szintén japán Kamiokában található Super Kamiokande kísérletbe. A T2K (Tokai to Kamiokande) nevű kísérlet célja annak megállapítása, hogy miért áll a világegyetemünk anyagból. A neutrínók által mutatott különös viselkedés, az úgynevezett neutrínóoszcilláció talán fényt deríthet erre az igencsak bosszantó problémára.
Az a kérdés, hogy miért áll a világegyetem anyagból, furcsa kérdésnek tűnhet, de nagyon jó oka van annak, hogy a tudósokat ez meglepi. Ez azért van, mert amellett, hogy a tudósok tudnak az anyag létezéséről, tudnak az antianyagról is.
1928-ban Paul Dirac brit fizikus felvetette az antianyag – az anyag antagonista testvére – létezését. Ha azonos mennyiségű anyagot és antianyagot egyesítünk, akkor a kettő megsemmisíti egymást, ami óriási mennyiségű energia felszabadulását eredményezi. És mivel a fizika elvei általában fordítva is ugyanolyan jól működnek, ha óriási mennyiségű energiával rendelkezünk, az pontosan azonos mennyiségű anyaggá és antianyaggá alakulhat át. Az antianyagot 1932-ben fedezte fel az amerikai Carl Anderson, és a kutatóknak közel egy évszázaduk volt arra, hogy tanulmányozzák a tulajdonságait.
Az “pontosan egyenlő mennyiségre” kifejezés azonban a rejtély lényege. Az ősrobbanást közvetlenül követő rövid pillanatokban a világegyetem tele volt energiával. Ahogy tágult és lehűlt, ennek az energiának egyenlő arányban kellett volna átalakulnia anyag és antianyag szubatomi részecskékké, amelyeknek ma megfigyelhetőnek kellene lenniük. És mégis, a mi világegyetemünk lényegében teljes egészében anyagból áll. Hogyan lehetséges ez?
A tudósok az univerzumban lévő atomok számának megszámlálásával és az általunk látható energia mennyiségével való összehasonlításával megállapították, hogy a “pontosan egyenlő” nem teljesen igaz. Valahogyan, amikor a világegyetem körülbelül a másodperc egy trilliomod része tizedmásodperces volt, a természeti törvények valahogyan az anyag irányába ferdültek el. Minden 3.000.000.000.000 antianyag részecskére 3.000.000.000.001 anyag részecske jutott. A 3 milliárd anyagrészecske és a 3 milliárd antianyagrészecske egyesült – és megsemmisült vissza energiává, így maradt az enyhe anyagtöbblet, amely a ma látható világegyetemet alkotja.
Mióta ezt a rejtélyt közel egy évszázaddal ezelőtt megértették, a kutatók tanulmányozzák az anyagot és az antianyagot, hátha találnak olyan viselkedést a szubatomi részecskékben, amely megmagyarázza az anyagtöbbletet. Biztosak abban, hogy az anyag és az antianyag egyenlő mennyiségben keletkezik, de azt is megfigyelték, hogy a kvarkoknak nevezett szubatomi részecskék egy osztálya olyan viselkedést mutat, amely némileg előnyben részesíti az anyagot az antianyaggal szemben. Ez a bizonyos mérés finom volt, a K-mezonoknak nevezett részecskék egy osztályát érintette, amelyek képesek anyagból antianyaggá és vissza átalakulni. De van egy kis különbség az anyag antianyaggá való átalakulásában, mint fordítva. Ez a jelenség váratlan volt, és felfedezése 1980-ban Nobel-díjhoz vezetett, de a hatás nagysága nem volt elégséges ahhoz, hogy megmagyarázza, miért dominál az anyag a világegyetemünkben.
Szellemnyalábok
A tudósok ezért a neutrínók felé fordították figyelmüket, hátha viselkedésük megmagyarázza az anyagtöbbletet. A neutrínók a szubatomi világ szellemei. Mivel csak a gyenge magerőn keresztül lépnek kölcsönhatásba egymással, képesek áthaladni az anyagon anélkül, hogy szinte egyáltalán nem lépnének kölcsönhatásba. Hogy érzékeltessük a méretarányokat, a neutrínók leggyakrabban nukleáris reakciókban keletkeznek, és a legnagyobb nukleáris reaktor a Nap. Ahhoz, hogy a Nap neutrínóinak felétől megvédjük magunkat, egy kb. 5 fényév mélységű tömör ólomtömegre lenne szükség. A neutrínók tényleg nem nagyon lépnek kölcsönhatásba egymással.”
1998 és 2001 között egy sor kísérlet – az egyik a Super Kamiokande detektorral, a másik az Ontario állambeli Sudburyben található SNO detektorral – végérvényesen bebizonyította, hogy a neutrínók egy másik meglepő viselkedést is mutatnak. Megváltoztatják az identitásukat.
A fizikusok három különböző típusú neutrínót ismernek, amelyek mindegyikéhez egy-egy egyedi szubatomi testvér tartozik, ezeket elektronoknak, müonoknak és tausoknak nevezik. Az elektronok okozzák az elektromosságot, a müon és a tau részecske pedig nagyon hasonlít az elektronokra, de nehezebb és instabilabb.
A háromféle neutrínó, az elektron neutrínó, a müon neutrínó és a tau neutrínó “átalakulhat” másfajta neutrínóvá és vissza. Ezt a viselkedést neutrínóoszcillációnak nevezik.
A neutrínóoszcilláció egy egyedülállóan kvantumos jelenség, de nagyjából olyan, mintha egy tál vaníliafagyival indulnánk, és miután elmegyünk keresni egy kanalat, visszatérve azt találnánk, hogy a tál félig vanília, félig csokoládé. A neutrínók megváltoztatják identitásukat a teljesen egyféle típusból, a típusok keveredéséből, egy teljesen másfajta típusba, majd vissza az eredeti típusba.
Antineutrínó-oszcillációk
A neutrínók anyag részecskék, de léteznek antianyag neutrínók is, amelyeket antineutrínóknak nevezünk. És ez egy nagyon fontos kérdéshez vezet. A neutrínók oszcillálnak, de vajon az antineutrínók is oszcillálnak-e, és pontosan ugyanúgy oszcillálnak-e, mint a neutrínók? Az első kérdésre a válasz igen, míg a másodikra nem tudjuk a választ.
Mondjuk ezt egy kicsit részletesebben, de leegyszerűsítve: Tegyük fel, hogy csak kétféle neutrínó létezik – a müon és az elektron. Tegyük fel továbbá, hogy van egy tisztán müon típusú neutrínókból álló sugár. A neutrínók meghatározott sebességgel oszcillálnak, és mivel közel a fénysebességhez mozognak, a keletkezésük helyétől mért távolság függvényében oszcillálnak. Így egy tisztán müon neutrínókból álló sugár egy bizonyos távolságban müon és elektron típusú neutrínók keverékének fog tűnni, majd egy másik távolságban tisztán elektron típusúnak, majd ismét csak müon típusúnak. Az antianyag neutrínók ugyanezt teszik.
Ha azonban az anyag és az antianyag neutrínók kissé eltérő sebességgel oszcillálnak, akkor azt várnánk, hogy ha egy fix távolságban lennénk attól a ponttól, ahol egy tiszta müon neutrínó vagy müon antineutrínó sugár keletkezett, akkor a neutrínók esetében a müon és elektron neutrínók egy keverékét látnánk, de az antianyag neutrínók esetében az antianyag müon és elektron neutrínók egy másik keverékét látnánk. A tényleges helyzetet bonyolítja az a tény, hogy háromféle neutrínó létezik, és az oszcilláció függ a sugár energiájától, de ezek a nagy gondolatok.
A neutrínók és antineutrínók eltérő oszcillációs frekvenciájának megfigyelése fontos lépés lenne annak megértése felé, hogy a világegyetem anyagból áll. Ez nem a teljes történet, mert további új jelenségeknek is fenn kell állniuk, de az anyag és az antianyag neutrínók közötti különbség szükséges ahhoz, hogy megmagyarázzuk, miért van több anyag a világegyetemben.
A neutrínó kölcsönhatásokat leíró, jelenleg uralkodó elméletben van egy változó, amely érzékeny arra a lehetőségre, hogy a neutrínók és az antineutrínók különbözőképpen oszcillálnak. Ha ez a változó nulla, akkor a kétféle részecske azonos sebességgel oszcillál; ha ez a változó eltér a nullától, akkor a kétféle részecske különbözőképpen oszcillál.
Amikor a T2K megmérte ezt a változót, azt találták, hogy az nem áll összhangban azzal a hipotézissel, hogy a neutrínók és az antineutrínók azonos módon oszcillálnak. Kicsit technikásabban, meghatározták ennek a változónak a lehetséges értéktartományát. 95 százalék az esélye annak, hogy a változó valódi értéke ezen a tartományon belül van, és csak 5 százalék az esélye annak, hogy a valódi változó ezen a tartományon kívül van. A “nincs különbség” hipotézis a 95 százalékos tartományon kívül esik.”
Egyszerűbben fogalmazva, a jelenlegi mérés arra utal, hogy a neutrínók és az antianyag neutrínók különbözőképpen oszcillálnak, bár a bizonyosság nem emelkedik arra a szintre, hogy végleges állítást lehessen tenni. Sőt, a kritikusok rámutatnak, hogy az ilyen szintű statisztikai szignifikanciával rendelkező méréseket nagyon-nagyon szkeptikusan kell kezelni. De ez mindenképpen egy rendkívül provokatív kezdeti eredmény, és a világ tudományos közössége rendkívül érdekelt a továbbfejlesztett és pontosabb vizsgálatokban.”
A T2K kísérlet folytatja a további adatok rögzítését a végleges mérés reményében, de nem ez az egyetlen játék a városban. A Chicago mellett található Fermilabban egy hasonló, NOVA nevű kísérlet mind neutrínókat, mind antianyag neutrínókat lő ki Észak-Minnesotába, remélve, hogy a T2K-t is megelőzi. A jövőre nézve pedig a Fermilab keményen dolgozik a DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) nevű zászlóshajó kísérletén, amely sokkal jobb képességekkel rendelkezik majd e fontos jelenség tanulmányozására.
Bár a T2K eredménye nem végleges, és óvatosságra int, mindenképpen izgalmas. Tekintettel arra a hatalmas kérdésre, hogy miért tűnik úgy, hogy az univerzumunkban nincs számottevő antianyag, a világ tudományos közössége mohón várja a további fejleményeket.
Eredetileg a Live Science-en jelent meg.
Don Lincoln a Fermilab fizikus kutatója. Ő a szerzője a “The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), és tudományos ismeretterjesztő videósorozatot készít. Kövesse őt a Facebookon. Az ebben a kommentárban kifejtett vélemény az övé.
Don Lincoln hozzájárult ehhez a cikkhez a Live Science szakértői hangok című műsorában: Op-Ed & Insights.
Újabb hírek