Naukowcy rozkoszują się w odkrywaniu tajemnic, a im większa tajemnica, tym większy entuzjazm. Istnieje wiele ogromnych pytań bez odpowiedzi w nauce, ale kiedy idziesz na całość, trudno jest pobić „Dlaczego istnieje coś, zamiast niczego?”
To może wydawać się pytaniem filozoficznym, ale jest to pytanie, które jest bardzo podatne na badania naukowe. Mówiąc nieco bardziej konkretnie: „Dlaczego wszechświat jest zbudowany z takich rodzajów materii, które umożliwiają 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 z zapytań. Okazuje się, że ich pomiar nie zgadza się z najprostszymi oczekiwaniami obecnej teorii i może równie dobrze wskazywać w kierunku odpowiedzi na to ponadczasowe pytanie.
Ich pomiar wydaje się mówić, że dla konkretnego zestawu cząstek subatomowych, materia i antymateria zachowują się inaczej.
Materia v. Antymateria
Używając akceleratora J-PARC, znajdującego się w Tokai, w Japonii, naukowcy wystrzelili wiązkę upiornych cząstek subatomowych zwanych neutrinami i ich odpowiedników z antymaterii (antyneutrin) przez Ziemię do eksperymentu Super Kamiokande, znajdującego się w Kamioka, również w Japonii. Eksperyment ten, nazwany T2K (Tokai to Kamiokande), ma na celu ustalenie, dlaczego nasz wszechświat zbudowany jest z materii. Osobliwe zachowanie wykazywane przez neutrina, zwane oscylacją neutrin, może rzucić nieco światła na ten bardzo dokuczliwy problem.
Pytanie dlaczego wszechświat jest zrobiony z materii może brzmieć jak osobliwe pytanie, ale jest bardzo dobry powód, że naukowcy są tym zaskoczeni. To dlatego, że oprócz wiedzy o istnieniu materii, naukowcy wiedzą również o antymaterii.
W 1928 roku brytyjski fizyk Paul Dirac zaproponował istnienie antymaterii – antagonistycznego rodzeństwa materii. Po połączeniu równych ilości materii i antymaterii następuje ich wzajemna anihilacja, w wyniku której uwalnia się ogromna ilość energii. A ponieważ zasady fizyki zazwyczaj działają równie dobrze w odwrotnym kierunku, jeśli masz ogromną ilość energii, może się ona przekształcić w dokładnie równe ilości materii i antymaterii. Antymateria została odkryta w 1932 roku przez Amerykanina Carla Andersona, a naukowcy mieli prawie sto lat na zbadanie jej właściwości.
Jednakże ten zwrot „w dokładnie równe ilości” jest sednem zagadki. W krótkich chwilach zaraz po Wielkim Wybuchu, wszechświat był pełen energii. W miarę jak rozszerzał się i ochładzał, energia ta powinna była przekształcić się w równych częściach w materię i antymaterię cząstek subatomowych, które powinny być obserwowalne dzisiaj. A jednak nasz wszechświat składa się w zasadzie wyłącznie z materii. Jak to możliwe?
Licząc liczbę atomów we wszechświecie i porównując to z ilością energii, którą widzimy, naukowcy ustalili, że „dokładnie równa” nie jest całkiem w porządku. W jakiś sposób, kiedy wszechświat miał około jednej dziesiątej trylionowej części sekundy, prawa natury przechyliły się nieco w kierunku materii. Na każde 3 000 000 000 000 cząstek antymaterii przypadało 3 000 000 001 cząstek materii. 3 miliardy cząstek materii i 3 miliardy cząstek antymaterii połączyły się – i anihilowały z powrotem w energię, pozostawiając lekki nadmiar materii, aby stworzyć wszechświat, który widzimy dzisiaj.
Odkąd ta zagadka została zrozumiana prawie sto lat temu, naukowcy badali materię i antymaterię, aby zobaczyć, czy mogą znaleźć zachowanie w cząstkach subatomowych, które wyjaśniłoby nadmiar materii. Są oni pewni, że materia i antymateria powstają w równych ilościach, ale zaobserwowali również, że klasa cząstek subatomowych zwanych kwarkami wykazuje zachowania, które nieznacznie faworyzują materię nad antymaterią. Ten szczególny pomiar był subtelny i dotyczył klasy cząstek zwanych mezonami K, które mogą przekształcać się z materii w antymaterię i z powrotem. Istnieje jednak niewielka różnica w przekształcaniu materii w antymaterię w porównaniu z odwrotnym przekształcaniem. Zjawisko to było nieoczekiwane, a jego odkrycie doprowadziło do przyznania nagrody Nobla w 1980 roku, ale wielkość efektu nie wystarczyła do wyjaśnienia, dlaczego materia dominuje w naszym wszechświecie.
Promienie duchów
W związku z tym naukowcy zwrócili swoją uwagę na neutrina, aby sprawdzić, czy ich zachowanie może wyjaśnić nadmiar materii. Neutrina są duchami świata subatomowego. Oddziałując jedynie poprzez słabą siłę jądrową, mogą przechodzić przez materię bez prawie żadnej interakcji. Aby dać poczucie skali, neutrina są najczęściej tworzone w reakcjach jądrowych, a największym reaktorem jądrowym jest Słońce. Aby ochronić się przed połową neutrin słonecznych, trzeba by mieć masę litego ołowiu o głębokości około 5 lat świetlnych. Neutrina naprawdę nie oddziałują ze sobą zbyt mocno.
W latach 1998-2001, seria eksperymentów – jeden przy użyciu detektora Super Kamiokande, a drugi przy użyciu detektora SNO w Sudbury, Ontario – udowodniła definitywnie, że neutrina wykazują również inne zaskakujące zachowanie. Zmieniają one swoją tożsamość.
Fizycy znają trzy odrębne rodzaje neutrin, każde związane z unikalnym subatomowym rodzeństwem, zwane elektronami, mionami i taonami. Elektrony są tym, co powoduje elektryczność, a cząstki mionu i taon są bardzo podobne do elektronów, ale cięższe i niestabilne.
Trzy rodzaje neutrin, zwane neutrinem elektronowym, neutrinem mionowym i neutrinem taonowym, mogą „morfować” w inne rodzaje neutrin i z powrotem. To zachowanie nazywane jest oscylacją neutrin.
Oscylacja neutrin jest zjawiskiem unikalnie kwantowym, ale jest to z grubsza analogiczne do zaczynania z miską lodów waniliowych i, po tym jak idziesz i znajdujesz łyżkę, wracasz i odkrywasz, że miseczka jest w połowie waniliowa i w połowie czekoladowa. Neutrina zmieniają swoją tożsamość od bycia całkowicie jednego typu, do mieszanki typów, do zupełnie innego typu, a następnie z powrotem do oryginalnego typu.
Oscylacje antyneutrin
Neutrina są cząstkami materii, ale neutrina antymaterii, zwane antyneutrinami, również istnieją. I to prowadzi do bardzo ważnego pytania. Neutrina oscylują, ale czy antyneutrina również oscylują i czy oscylują w dokładnie taki sam sposób jak neutrina? Odpowiedź na pierwsze pytanie jest twierdząca, natomiast odpowiedź na drugie nie jest znana.
Rozważmy to nieco dokładniej, ale w sposób uproszczony: Załóżmy, że istniały tylko dwa rodzaje neutrin – mionowe i elektronowe. Przypuśćmy dalej, że mamy wiązkę neutrin wyłącznie mionowych. Neutrina oscylują z określoną prędkością, a ponieważ poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, oscylują w funkcji odległości od miejsca, w którym zostały wytworzone. Tak więc wiązka czystych neutrin mionowych będzie wyglądała jak mieszanka neutrin mionowych i elektronowych w pewnej odległości, następnie czysto elektronowych w innej odległości, a potem znów tylko mionowych. Neutrina antymaterii robią to samo.
Jednakże, jeśli neutrina materii i antymaterii oscylują z nieco innymi szybkościami, można by się spodziewać, że jeśli znajdowalibyśmy się w stałej odległości od punktu, w którym powstała wiązka czystych neutrin mionowych lub antyneutrin mionowych, to w przypadku neutrin widzielibyśmy jedną mieszaninę neutrin mionowych i elektronowych, ale w przypadku neutrin antymaterii widzielibyśmy inną mieszaninę neutrin antymaterii mionowych i elektronowych. Rzeczywista sytuacja jest skomplikowana przez fakt, że są trzy rodzaje neutrin i oscylacja zależy od energii wiązki, ale to są główne idee.
Obserwacja różnych częstotliwości oscylacji przez neutrina i antyneutrina byłaby ważnym krokiem w kierunku zrozumienia faktu, że wszechświat jest zbudowany z materii. To nie jest cała historia, ponieważ dodatkowe nowe zjawiska muszą również mieć miejsce, ale różnica między neutrinami materii i antymaterii jest konieczna do wyjaśnienia, dlaczego jest więcej materii we wszechświecie.
W obecnie dominującej teorii opisującej oddziaływania neutrin, istnieje zmienna, która jest wrażliwa na możliwość, że neutrina i antyneutrina oscylują inaczej. Jeśli zmienna ta wynosi zero, dwa typy cząstek oscylują w identycznym tempie; jeśli zmienna ta różni się od zera, dwa typy cząstek oscylują inaczej.
Gdy T2K zmierzyli tę zmienną, stwierdzili, że jest ona niezgodna z hipotezą, że neutrina i antyneutrina oscylują identycznie. Nieco bardziej technicznie, określili zakres możliwych wartości dla tej zmiennej. Istnieje 95 procent szans, że prawdziwa wartość dla tej zmiennej mieści się w tym zakresie i tylko 5 procent szans, że prawdziwa zmienna znajduje się poza tym zakresem. Hipoteza „brak różnicy” jest poza zakresem 95 procent.
W uproszczeniu, obecne pomiary sugerują, że neutrina i neutrina antymaterii oscylują inaczej, chociaż pewność nie wzrasta do poziomu, aby postawić ostateczne twierdzenie. W rzeczywistości krytycy wskazują, że pomiary o takim poziomie istotności statystycznej powinny być traktowane bardzo, bardzo sceptycznie. Ale jest to z pewnością niezwykle prowokacyjny wynik początkowy, a światowa społeczność naukowa jest niezwykle zainteresowana zobaczeniem ulepszonych i bardziej precyzyjnych badań.
Eksperyment T2K będzie kontynuował rejestrowanie dodatkowych danych w nadziei na dokonanie ostatecznego pomiaru, ale nie jest to jedyna gra w mieście. W Fermilab, znajdującym się poza Chicago, podobny eksperyment o nazwie NOVA wystrzeliwuje neutrina i neutrina antymaterii do północnej Minnesoty, mając nadzieję pobić T2K. A patrząc bardziej w przyszłość, Fermilab ciężko pracuje nad tym, co będzie jego sztandarowym eksperymentem, zwanym DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), który będzie miał znacznie większe możliwości badania tego ważnego zjawiska.
Pomimo, że wynik T2K nie jest ostateczny i uzasadniona jest ostrożność, jest on z pewnością kuszący. Biorąc pod uwagę ogrom pytania, dlaczego nasz wszechświat wydaje się nie mieć znaczącej antymaterii, światowa społeczność naukowa będzie z niecierpliwością czekać na dalsze aktualizacje.
Originally published on Live Science.
Don Lincoln jest badaczem fizyki w Fermilab. Jest autorem książki „The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), a także produkuje serię filmów edukacyjnych z zakresu nauk ścisłych. Można go śledzić na Facebooku. Opinie wyrażone w tym komentarzu są jego autorstwa.
Don Lincoln przyczynił się do powstania tego artykułu w Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Recent news
.