Vetenskapsmännen älskar att utforska mysterier, och ju större mysteriet är, desto större är entusiasmen. Det finns många stora obesvarade frågor inom vetenskapen, men när man vill satsa stort är det svårt att slå ”Varför finns det något i stället för ingenting?”
Det kan tyckas vara en filosofisk fråga, men det är en fråga som är mycket lätt att undersöka vetenskapligt. Lite mer konkret uttryckt: ”Varför består universum av den typ av materia som gör mänskligt liv möjligt så att vi ens kan ställa den här frågan?”. Forskare som bedriver forskning i Japan tillkännagav förra månaden en mätning som direkt tar upp den mest fascinerande av frågor. Det verkar som om deras mätning strider mot de enklaste förväntningarna i den nuvarande teorin och skulle mycket väl kunna peka mot ett svar på denna tidlösa fråga.
Din mätning verkar säga att för en viss uppsättning subatomära partiklar agerar materia och antimateria på olika sätt.
Materia vs. antimateria
Med hjälp av J-PARC-acceleratorn, som ligger i Tokai i Japan, avfyrade forskarna en stråle av spöklika subatomära partiklar som kallas neutriner och deras motsvarigheter till antimateria (antineutriner) genom jorden till Super Kamiokande-experimentet, som ligger i Kamioka, också i Japan. Experimentet, som kallas T2K (Tokai to Kamiokande), syftar till att fastställa varför vårt universum består av materia. Ett märkligt beteende hos neutriner, som kallas neutrinooscillation, kan kasta lite ljus över detta mycket besvärliga problem.
Att fråga varför universum består av materia kan låta som en märklig fråga, men det finns en mycket god anledning till att forskarna är förvånade över detta. Det beror på att vetenskapsmännen inte bara känner till materiens existens, utan också till antimateria.
I 1928 föreslog den brittiske fysikern Paul Dirac att det skulle finnas antimateria – ett antagonistiskt syskon till materien. Kombinera lika stora mängder materia och antimateria och de två förintar varandra, vilket resulterar i att en enorm mängd energi frigörs. Eftersom fysikens principer vanligtvis fungerar lika bra i motsatt riktning, kan en enorm energimängd omvandlas till exakt lika stora mängder materia och antimateria om man har en enorm energimängd. Antimateria upptäcktes 1932 av amerikanen Carl Anderson och forskarna har haft nästan ett sekel på sig att studera dess egenskaper.
Den där frasen ”i exakt lika stora mängder” är dock kärnan i gåtan. Under de korta ögonblicken omedelbart efter Big Bang var universum fullt av energi. När det expanderade och svalnade borde den energin ha omvandlats till lika delar materia och subatomära partiklar av antimateria, som borde kunna observeras i dag. Ändå består vårt universum i princip helt och hållet av materia. Hur kan det komma sig?
Genom att räkna antalet atomer i universum och jämföra det med den mängd energi som vi kan se har forskarna kommit fram till att ”exakt lika” inte är helt rätt. På något sätt, när universum var ungefär en tiondels triljondels sekund gammalt, snedde sig naturlagarna en smula i materiens riktning. För varje 3 000 000 000 000 antimateriepartiklar fanns det 3 000 000 000 001 materiepartiklar. De 3 miljarder materiepartiklarna och 3 miljarder antimateriepartiklarna kombinerades – och förintades tillbaka till energi, vilket lämnade det lilla överskottet av materia för att utgöra det universum vi ser idag.
Sedan denna gåta förstods för nästan hundra år sedan har forskare studerat materia och antimateria för att se om de kunde hitta ett beteende hos subatomära partiklar som skulle kunna förklara överskottet av materia. De är övertygade om att materia och antimateria tillverkas i lika stora mängder, men de har också observerat att en klass av subatomära partiklar som kallas kvarkar uppvisar beteenden som något gynnar materia framför antimateria. Den specifika mätningen var subtil och involverade en klass av partiklar som kallas K-mesoner och som kan omvandlas från materia till antimateria och tillbaka igen. Men det finns en liten skillnad när materia omvandlas till antimateria jämfört med omvänt. Fenomenet var oväntat och upptäckten ledde till Nobelpriset 1980, men storleken på effekten var inte tillräcklig för att förklara varför materia dominerar i vårt universum.
Spöklika strålar
Därmed har forskarna vänt blicken mot neutriner, för att se om deras beteende kan förklara överskottet av materia. Neutrinos är spöken från den subatomära världen. De interagerar endast via den svaga kärnkraften och kan passera genom materia utan att interagera nästan alls. För att ge en känsla av skala skapas neutriner oftast i kärnreaktioner, och den största kärnreaktorn som finns är solen. För att skydda sig mot hälften av solens neutriner skulle det krävas en massa av fast bly med ett djup på cirka 5 ljusår. Neutrinos interagerar egentligen inte särskilt mycket.
Mellan 1998 och 2001 visade en serie experiment – ett med Super Kamiokande-detektorn och ett annat med SNO-detektorn i Sudbury, Ontario – definitivt att neutriner också uppvisar ett annat överraskande beteende. De byter identitet.
Fysikerna känner till tre olika typer av neutriner, var och en förknippad med ett unikt subatomärt syskon, som kallas elektroner, myoner och taus. Elektroner är det som orsakar elektricitet och muon- och taupartiklar är mycket lika elektroner, men tyngre och instabila.
De tre typerna av neutriner, som kallas elektronneutrino, muonneutrino och tauneutrino, kan ”förvandlas” till andra typer av neutriner och tillbaka igen. Detta beteende kallas neutrinooscillation.
Neutrinoscillation är ett unikt kvantfenomen, men det kan i stort sett jämföras med att börja med en skål med vaniljglass och efter att ha gått och letat efter en sked kommer man tillbaka och upptäcker att skålen är halvt vanilj och halvt choklad. Neutriner byter identitet från att vara helt och hållet en typ, till en blandning av typer, till en helt annan typ och sedan tillbaka till den ursprungliga typen.
Antineutrinosvängningar
Neutriner är materiepartiklar, men det finns också antimateriella neutriner, så kallade antineutriner. Och det leder till en mycket viktig fråga. Neutrinos oscillerar, men oscillerar antineutrinos också och oscillerar de på exakt samma sätt som neutrinos? Svaret på den första frågan är ja, medan svaret på den andra är okänt.
Låt oss betrakta detta lite mer utförligt, men på ett förenklat sätt: Anta att det bara fanns två neutrinotyper – muon och elektron. Anta vidare att du hade en stråle av neutriner av enbart muontyp. Neutrinos oscillerar med en viss hastighet och eftersom de rör sig nära ljusets hastighet oscillerar de som en funktion av avståndet från den plats där de skapades. En stråle av rena muonneutriner kommer således att se ut som en blandning av muon- och elektrontyper på ett visst avstånd, sedan rent elektrontyper på ett annat avstånd och sedan tillbaka till enbart muon. Antimateria-neutriner gör samma sak.
Och om materia- och antimateria-neutriner oscillerar med något olika hastigheter skulle man kunna förvänta sig att om man befinner sig på ett fast avstånd från den punkt där en stråle av rena muonneutriner eller muonantineutriner skapades, så skulle man i neutrinofallet se en blandning av muon- och elektronneutriner, men i antimateria-neutrinofallet en annan blandning av antimateria-, muon- och elektronneutriner. Den faktiska situationen kompliceras av det faktum att det finns tre typer av neutriner och att oscillationen beror på strålens energi, men detta är de stora idéerna.
Observationen av olika svängningsfrekvenser hos neutriner och antineutriner skulle vara ett viktigt steg mot att förstå det faktum att universum består av materia. Det är inte hela historien, eftersom ytterligare nya fenomen också måste gälla, men skillnaden mellan materia- och antimateria-neutriner är nödvändig för att förklara varför det finns mer materia i universum.
I den nuvarande rådande teorin som beskriver neutrinointeraktioner finns det en variabel som är känslig för möjligheten att neutriner och antineutriner oscillerar på olika sätt. Om denna variabel är noll oscillerar de två partikeltyperna med identisk hastighet; om variabeln skiljer sig från noll oscillerar de två partikeltyperna på olika sätt.
När T2K mätte denna variabel fann de att den var oförenlig med hypotesen att neutriner och antineutriner oscillerar identiskt. Lite mer tekniskt fastställde de ett intervall av möjliga värden för denna variabel. Det finns en 95-procentig chans att det sanna värdet för denna variabel ligger inom detta intervall och endast en 5-procentig chans att den sanna variabeln ligger utanför detta intervall. Hypotesen ”ingen skillnad” ligger utanför det 95-procentiga intervallet.
Enklare uttryckt tyder den nuvarande mätningen på att neutriner och antimaterieneutriner oscillerar på olika sätt, även om säkerheten inte når upp till en nivå som gör det möjligt att göra ett definitivt påstående. Kritiker påpekar faktiskt att mätningar med denna nivå av statistisk signifikans bör betraktas mycket, mycket skeptiskt. Men det är verkligen ett enormt provocerande första resultat, och världens forskarsamhälle är oerhört intresserat av att se förbättrade och mer exakta studier.
T2K-experimentet kommer att fortsätta att registrera ytterligare data i hopp om att kunna göra en definitiv mätning, men det är inte det enda spelet i stan. Vid Fermilab, som ligger utanför Chicago, skjuter ett liknande experiment, kallat NOVA, både neutriner och neutriner av antimateria till norra Minnesota i hopp om att slå T2K på fingrarna. Och när det gäller framtiden arbetar Fermilab hårt på vad som kommer att bli dess flaggskeppsexperiment, kallat DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), som kommer att ha långt överlägsna möjligheter att studera detta viktiga fenomen.
Men även om T2K-resultatet inte är slutgiltigt och försiktighet är på sin plats, är det verkligen lockande. Med tanke på den enorma betydelsen av frågan om varför vårt universum inte tycks ha någon märkbar antimateria kommer världens forskarsamhälle att ivrigt vänta på ytterligare uppdateringar.
Originally published on Live Science.
Don Lincoln är fysikforskare vid Fermilab. Han är författare till ”The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind” (Johns Hopkins University Press, 2014), och han producerar en serie videor för vetenskaplig utbildning. Följ honom på Facebook. De åsikter som uttrycks i den här kommentaren är hans.
Don Lincoln bidrog med den här artikeln till Live Science’s Expert Voices: Op-Ed & Insights.
Recent news