Standardmodellen for partikkelfysikk har vært det dominerende middel til å forklare hva de grunnleggende byggesteinene i materien er og hvordan de samhandler i flere tiår. Først foreslått på 1970-tallet hevder modellen at for hver opprettet partikkel er det en antipartikkel. Som sådan er et varig mysterium fra denne modellen grunnen til at universet kan eksistere hvis det teoretisk består av like deler av materie og antimaterie.
Denne tilsynelatende ulikheten, kjent som CP-bruddet, har vært gjenstand for eksperimenter i mange år. Men foreløpig har det ikke blitt foretatt noen definitive demonstrasjoner for dette bruddet, eller hvor mye materie som kan eksistere i universet uten dets motpart. Men takket være nye funn utgitt av det internasjonale Tokai-til-Kamioka (T2K) -samarbeidet, kan vi være et skritt nærmere å forstå hvorfor denne forskjellen eksisterer.
CP overtredelse ble først observert i 1964, og foreslår at lovene om ladningssymmetri og paritetssymmetri (også CP-symmetri) ikke gjelder under visse betingelser. Disse lovene sier at fysikken som styrer en partikkel, skal være den samme hvis den ble byttet ut med dens antipartikkel, mens dens romlige koordinater ville bli omvendt. Fra denne observasjonen dukket et av de største kosmologiske mysteriene frem.
Hvis lovene for materie og antimaterie er de samme, hvorfor er det da at universet er så materiedominert? Alternativt, hvis materie og antimateriale er grunnleggende forskjellige, hvordan stemmer det med våre forestillinger om symmetri? Å svare på disse spørsmålene er ikke bare viktig så langt som våre dominerende kosmologiske teorier går, de er også iboende for å forstå hvordan de svake interaksjonene som styrer partikler fungerer.
Det internasjonale T2K-samarbeidet ble opprettet i juni 2011, og er det første eksperimentet i verden som er dedikert til å svare på dette mysteriet ved å studere svingninger på nøytrino og anti-nøytrino. Eksperimentet begynner med at høye intensitetsstråler av muonneutrino (eller muon anti-neutrino) blir generert ved det japanske Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), som deretter blir skutt mot Super-Kamiokande detektor 295 km unna.
Denne detektoren er for tiden en av verdens største og mest sofistikerte, dedikert til deteksjon og studie av solenergi og atmosfæriske nøytrinoer. Når nøytrinoer reiser mellom de to fasilitetene, endrer de “smak” - fra muonneutrino eller antinutrino til elektronnøytrino eller anti-nøytrino. I overvåking av disse nøytrino- og anti-neutrino-bjelkene ser eksperimentet på forskjellige svingningshastigheter.
Denne forskjellen i svingning vil vise at det er en ubalanse mellom partikler og antipartikler, og dermed gi det første definitive beviset for CP-brudd for første gang. Det skulle også indikere at det er fysikk utover standardmodellen som forskere ennå ikke må undersøke. Den siste april ble det første datasettet produsert av T2K utgitt, noe som ga noen fortellende resultater.
Som Mark Hartz, en T2K-samarbeidspartner og Kavli IPMU-prosjektassistentprofessor, sa i en fersk pressemelding:
"Mens datasettene fortsatt er for små til å komme med en konkret uttalelse, har vi sett en svak preferanse for store CP-brudd, og vi er glade for å fortsette å samle inn data og gjøre et mer følsomt søk etter CP-brudd."
Disse resultatene, som nylig ble publisert i Fysiske vurderingsbrev, inkluderer alle datakjøringer fra januar 2010 til mai 2016. Totalt utgjorde disse dataene 7.482 x 1020 protoner (i neutrino-modus), som ga 32 elektron neutrino- og 135 muon neutrino-hendelser, og 7.471 × 1020 protoner (i antineutrino-modus), som ga 4 elektron anti-neutrino og 66 muon neutrino hendelser.
Med andre ord, den første bunken med data har gitt noen bevis for CP-brudd, og med et konfidensintervall på 90%. Men dette er bare begynnelsen, og eksperimentet forventes å løpe i ytterligere ti år før det pakkes sammen. "Hvis vi er heldige og CP-krenkelseseffekten er stor, kan vi forvente 3 sigma-bevis, eller omtrent 99,7% konfidensnivå, for CP-brudd innen 2026," sa Hartz.
Hvis eksperimentet viser seg å være vellykket, kan fysikere endelig kunne svare på hvordan det er at det tidlige universet ikke utslettet seg selv. Det er sannsynligvis også hjelp til å avsløre sider ved universet som partikkelfysikere er ivrige etter å komme inn i! For det her at svarene til de dypeste hemmelighetene til universet, som hvordan alle dets grunnleggende krefter passer sammen, sannsynligvis vil bli funnet.
