Cercetătorii se bucură de explorarea misterelor, și cu cât misterul este mai mare, cu atât mai mare este entuziasmul. Există multe întrebări uriașe fără răspuns în știință, dar când vrei să faci lucruri mari, este greu de întrecut întrebarea „De ce există ceva, în loc de nimic?”
Aceasta ar putea părea o întrebare filozofică, dar este una care se pretează foarte bine la o anchetă științifică. Spus puțin mai concret: „De ce este universul alcătuit din tipurile de materie care fac posibilă viața umană, astfel încât să putem chiar să ne punem această întrebare?”. Oamenii de știință care efectuează cercetări în Japonia au anunțat luna trecută o măsurătoare care abordează direct această cea mai fascinantă dintre întrebări. Se pare că măsurarea lor este în dezacord cu cele mai simple așteptări ale teoriei actuale și ar putea foarte bine să indice un răspuns la această întrebare atemporală.
Măsurarea lor pare să spună că pentru un anumit set de particule subatomice, materia și antimateria acționează diferit.
Materie vs. Antimaterie
Utilizând acceleratorul J-PARC, situat în Tokai, Japonia, oamenii de știință au tras un fascicul de particule subatomice fantomatice numite neutrini și omologii lor de antimaterie (antineutrini) prin Pământ către experimentul Super Kamiokande, situat în Kamioka, tot în Japonia. Acest experiment, numit T2K (Tokai to Kamiokande), este conceput pentru a determina de ce universul nostru este alcătuit din materie. Un comportament ciudat manifestat de neutrini, numit oscilația neutrinilor, ar putea face lumină în această problemă foarte supărătoare.
Întrebarea de ce universul este alcătuit din materie poate părea o întrebare ciudată, dar există un motiv foarte bun pentru care oamenii de știință sunt surprinși de acest lucru. Este pentru că, pe lângă faptul că știu de existența materiei, oamenii de știință știu și de antimaterie.
În 1928, fizicianul britanic Paul Dirac a propus existența antimateriei – un frate antagonist al materiei. Dacă se combină cantități egale de materie și antimaterie, cele două se anihilează reciproc, ceea ce duce la eliberarea unei cantități enorme de energie. Și, deoarece principiile fizicii funcționează de obicei la fel de bine și în sens invers, dacă aveți o cantitate prodigioasă de energie, aceasta se poate transforma în cantități exact egale de materie și antimaterie. Antimateria a fost descoperită în 1932 de către americanul Carl Anderson, iar cercetătorii au avut la dispoziție aproape un secol pentru a-i studia proprietățile.
Cu toate acestea, acea frază „în cantități exact egale” este punctul nevralgic al enigmei. În scurtele momente imediat după Big Bang, universul era plin de energie. Pe măsură ce s-a extins și s-a răcit, acea energie ar fi trebuit să se transforme în părți egale de materie și particule subatomice de antimaterie, care ar trebui să fie observabile astăzi. Și totuși, universul nostru este format în întregime din materie. Cum se poate așa ceva?
Contând numărul de atomi din univers și comparându-l cu cantitatea de energie pe care o observăm, oamenii de știință au determinat că „exact egal” nu este tocmai corect. Cumva, când universul avea aproximativ o zecime de trilionime de secundă, legile naturii s-au înclinat foarte puțin în direcția materiei. Pentru fiecare 3.000.000.000.000 de particule de antimaterie, existau 3.000.000.000.001 particule de materie. Cele 3 miliarde de particule de materie și cele 3 miliarde de particule de antimaterie s-au combinat – și s-au anihilat înapoi în energie, lăsând un ușor exces de materie pentru a forma universul pe care îl vedem astăzi.
De când a fost înțeleasă această enigmă, în urmă cu aproape un secol, cercetătorii au studiat materia și antimateria pentru a vedea dacă ar putea găsi un comportament în particulele subatomice care să explice excesul de materie. Ei sunt încrezători că materia și antimateria sunt fabricate în cantități egale, dar au observat, de asemenea, că o clasă de particule subatomice numite quarci prezintă comportamente care favorizează ușor materia în detrimentul antimateriei. Această măsurătoare specială a fost subtilă, implicând o clasă de particule numite mezonii K, care se pot transforma din materie în antimaterie și invers. Dar există o ușoară diferență între transformarea materiei în antimaterie și invers. Acest fenomen a fost neașteptat și descoperirea sa a dus la acordarea premiului Nobel în 1980, dar magnitudinea efectului nu a fost suficientă pentru a explica de ce materia domină în universul nostru.
Raze fantomatice
De aceea, oamenii de știință și-au îndreptat atenția către neutrini, pentru a vedea dacă comportamentul lor poate explica excesul de materie. Neutrinii sunt fantomele lumii subatomice. Interacționând doar prin intermediul forței nucleare slabe, ei pot trece prin materie fără să interacționeze aproape deloc. Pentru a avea o idee despre scară, neutrinii sunt creați cel mai frecvent în reacții nucleare, iar cel mai mare reactor nuclear existent este Soarele. Pentru a ne proteja de jumătate din neutrinii solari ar fi nevoie de o masă de plumb solid cu o adâncime de aproximativ 5 ani-lumină. Neutrinii chiar nu interacționează foarte mult.
Între 1998 și 2001, o serie de experimente – unul folosind detectorul Super Kamiokande și altul folosind detectorul SNO din Sudbury, Ontario – au dovedit definitiv că neutrinii prezintă și un alt comportament surprinzător. Ei își schimbă identitatea.
Fizicienii cunosc trei tipuri distincte de neutrini, fiecare asociat cu un frate subatomic unic, numiți electroni, muoni și tauri. Electronii sunt cei care provoacă electricitatea, iar particulele muon și tau sunt foarte asemănătoare cu electronii, dar mai grele și instabile.
Cele trei tipuri de neutrini, numiți neutrino electron, neutrino muon și neutrino tau, se pot „transforma” în alte tipuri de neutrini și invers. Acest comportament se numește oscilație a neutrinilor.
Oscilația neutrinilor este un fenomen exclusiv cuantic, dar este aproximativ analog cu a începe cu un bol de înghețată de vanilie și, după ce te duci să găsești o lingură, te întorci și constați că bolul este jumătate de vanilie și jumătate de ciocolată. Neutrinii își schimbă identitatea, trecând de la a fi în întregime de un singur tip, la un amestec de tipuri, la un tip complet diferit și apoi înapoi la tipul inițial.
Oscilațiile antineutrinilor
Neutrinii sunt particule de materie, dar există și neutrini antimaterie, numiți antineutrini. Iar acest lucru duce la o întrebare foarte importantă. Neutrinii oscilează, dar oare și antineutrinii oscilează și ei oscilează exact în același mod ca și neutrinii? Răspunsul la prima întrebare este da, în timp ce răspunsul la a doua nu este cunoscut.
Să analizăm acest aspect puțin mai pe larg, dar într-un mod simplificat: Să presupunem că ar exista doar două tipuri de neutrini – muon și electron. Să presupunem în continuare că ați avea un fascicul de neutrini de tip muon pur. Neutrinii oscilează cu o anumită viteză și, întrucât se deplasează cu o viteză apropiată de cea a luminii, ei oscilează în funcție de distanța față de locul în care au fost creați. Astfel, un fascicul de neutrini pur muonici va arăta ca un amestec de tipuri de muoni și electroni la o anumită distanță, apoi pur electroni la o altă distanță și apoi din nou numai muoni. Neutrinii de antimaterie fac același lucru.
Cu toate acestea, dacă neutrinii de materie și antimaterie oscilează la viteze ușor diferite, v-ați aștepta ca, dacă vă aflați la o distanță fixă de punctul în care a fost creat un fascicul de neutrini de muoni puri sau antineutrini de muoni, atunci în cazul neutrinilor veți vedea un amestec de neutrini de muoni și electroni, dar în cazul neutrinilor de antimaterie, veți vedea un amestec diferit de neutrini de muoni și electroni de antimaterie. Situația reală este complicată de faptul că există trei tipuri de neutrini și că oscilația depinde de energia fasciculului, dar acestea sunt ideile de bază.
Observarea unor frecvențe de oscilație diferite de către neutrini și antineutrini ar fi un pas important spre înțelegerea faptului că universul este alcătuit din materie. Nu este întreaga poveste, pentru că trebuie să existe și alte fenomene noi suplimentare, dar diferența dintre neutrinii de materie și cei de antimaterie este necesară pentru a explica de ce există mai multă materie în univers.
În actuala teorie predominantă care descrie interacțiunile neutrinilor, există o variabilă care este sensibilă la posibilitatea ca neutrinii și antineutrinii să oscileze diferit. Dacă această variabilă este zero, cele două tipuri de particule oscilează la rate identice; dacă această variabilă diferă de zero, cele două tipuri de particule oscilează diferit.
Când T2K a măsurat această variabilă, au constatat că ea nu este în concordanță cu ipoteza că neutrinii și antineutrinii oscilează identic. Un pic mai tehnic, ei au determinat un interval de valori posibile pentru această variabilă. Există o șansă de 95% ca adevărata valoare pentru această variabilă să se afle în acest interval și doar o șansă de 5% ca adevărata variabilă să se afle în afara acestui interval. Ipoteza „nici o diferență” se află în afara intervalului de 95 la sută.
În termeni mai simpli, măsurătorile actuale sugerează că neutrinii și neutrinii de antimaterie oscilează diferit, deși certitudinea nu se ridică la nivelul de a face o afirmație definitivă. De fapt, criticii atrag atenția că măsurătorile cu acest nivel de semnificație statistică ar trebui privite cu foarte, foarte mult scepticism. Dar este cu siguranță un rezultat inițial enorm de provocator, iar comunitatea științifică mondială este extrem de interesată să vadă studii îmbunătățite și mai precise.
Experimentul T2K va continua să înregistreze date suplimentare în speranța de a face o măsurătoare definitivă, dar nu este singurul joc din oraș. La Fermilab, situat în afara orașului Chicago, un experiment similar, numit NOVA, trage atât neutrini cât și neutrini de antimaterie în nordul statului Minnesota, în speranța de a bate T2K la lovitură. Și, privind mai mult spre viitor, Fermilab lucrează din greu la ceea ce va fi experimentul său emblematic, numit DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), care va avea capacități mult superioare pentru a studia acest fenomen important.
În timp ce rezultatul T2K nu este definitiv și este necesară prudența, acesta este cu siguranță ispititor. Având în vedere enormitatea întrebării de ce universul nostru pare să nu aibă antimaterie apreciabilă, comunitatea științifică mondială va aștepta cu aviditate actualizări ulterioare.
Publicat inițial pe Live Science.
Don Lincoln este cercetător în fizică la Fermilab. El este autorul cărții „The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014) și produce o serie de videoclipuri de educație științifică. Urmăriți-l pe Facebook. Opiniile exprimate în acest comentariu îi aparțin.
Don Lincoln a contribuit cu acest articol la emisiunea Expert Voices de la Live Science: Op-Ed & Insights.
Știri recente
.