Forskere gleder seg over å utforske mysterier, og jo større mysterium, desto større er entusiasmen. Det er mange enorme ubesvarte spørsmål i vitenskapen, men når du blir stor, er det vanskelig å slå "Hvorfor er det noe, i stedet for ingenting?"
Det kan virke som et filosofisk spørsmål, men det er veldig mottagelig for vitenskapelig undersøkelse. Oppgitt litt mer konkret, "Hvorfor er universet laget av den slags materie som gjør menneskeliv mulig, slik at vi til og med kan stille dette spørsmålet?" Forskere som forsker i Japan har kunngjort en måling forrige måned som direkte adresserer den mest fascinerende av henvendelser. Det ser ut til at deres måling er uenig med de enkleste forventningene til dagens teori og godt kunne peke mot et svar på dette tidløse spørsmålet.
Målingen deres ser ut til å si at for et bestemt sett med subatomære partikler virker materie og antimateriale annerledes.
Matter v. Antimatter
Ved å bruke J-PARC-akseleratoren, som ligger i Tokai, Japan, fyrte forskere en bjelke med spøkelsesaktige underatomiske partikler kalt neutrinoer og deres antimaterielle kolleger (antineutrino) gjennom jorden til Super Kamiokande-eksperimentet, som ligger i Kamioka, også i Japan. Dette eksperimentet, kalt T2K (Tokai til Kamiokande), er designet for å bestemme hvorfor universet vårt er laget av materie. En særegen oppførsel som utstilles av nøytrinoer, kalt neutrino oscillation, kan kaste lys over dette veldig irriterende problemet.
Å spørre hvorfor universet er laget av materie kan høres ut som et særegent spørsmål, men det er en veldig god grunn til at forskere er overrasket over dette. Det er fordi forskere kjenner til antimaterie i tillegg til å vite om eksistensen av materie.
I 1928 foreslo den britiske fysikeren Paul Dirac eksistensen av antimaterie - en antagonistisk søsken av materie. Kombiner like store mengder materie og antimaterie, og de to ødelegger hverandre, noe som resulterer i frigjøring av en enorm mengde energi. Og fordi fysikkprinsipper vanligvis fungerer like godt i omvendt retning, hvis du har en enorm mengde energi, kan den konvertere til nøyaktig like store mengder materie og antimaterie. Antimatter ble oppdaget i 1932 av amerikanske Carl Anderson, og forskere har hatt nesten et århundre til å studere dens egenskaper.
Imidlertid er setningen "i nøyaktig like store mengder" kjernen i conundrum. I de korte øyeblikkene rett etter Big Bang var universet fullt av energi. Mens den ekspanderte og avkjølte, burde den energien ha blitt omdannet til like deler materie og antimaterielle subatomære partikler, noe som bør være observerbart i dag. Og likevel består universet vårt i det vesentlige av materie. Hvordan kan det være?
Ved å telle antall atomer i universet og sammenligne det med mengden energi vi ser, bestemte forskere at "nøyaktig lik" ikke er helt riktig. På en eller annen måte, når universet var omtrent en tiendedel av en billion sekund gammel, skjev naturlovene seg så og si i retning materien. For hver 3.000.000.000 antimaterielle partikler var det 3.000.000.001 stoffpartikler. De 3 milliarder materiapartiklene og 3 milliarder antimaterielle partikler kombinert - og utslettet til energi, og etterlater det små stoffet overskudd til å utgjøre universet vi ser i dag.
Siden dette puslespillet ble forstått for nesten ett århundre siden, har forskere studert materie og antimaterie for å se om de kunne finne atferd i subatomære partikler som ville forklare overskuddet av materie. De er sikre på at materie og antimaterie er laget i like store mengder, men de har også observert at en klasse subatomiske partikler kalt kvarker viser atferd som i liten grad favoriserer materie fremfor antimaterie. Den spesielle målingen var subtil, og involverte en klasse partikler kalt K mesons som kan konvertere fra materie til antimaterie og tilbake igjen. Men det er en liten forskjell i materie som konverteres til antimaterie sammenlignet med det motsatte. Dette fenomenet var uventet, og dets oppdagelse førte til Nobelprisen i 1980, men størrelsen på effekten var ikke nok til å forklare hvorfor materien dominerer i vårt univers.
Spøkelsesrike bjelker
Dermed har forskere henvendt seg til nøytrinoer, for å se om deres oppførsel kan forklare overflødig materie. Neutrino er spøkelsene i den subatomære verdenen. Ved å samhandle via bare den svake kjernekraften, kan de passere gjennom materie uten å nesten samhandle nesten i det hele tatt. For å gi en følelse av skalaer blir neutrinoer ofte skapt i kjernefysiske reaksjoner, og den største kjernereaktoren rundt er Solen. Å beskytte seg mot halvparten av solnøytrinoene ville ta en masse solid bly omtrent 5 lysår i dybden. Neutrinos samhandler egentlig ikke så veldig mye.
Mellom 1998 og 2001 beviste en serie eksperimenter - en med Super Kamiokande-detektoren, og en annen ved hjelp av SNO-detektoren i Sudbury, Ontario - definitivt at nøytrinoer også viser en annen overraskende oppførsel. De endrer identitet.
Fysikere kjenner til tre forskjellige typer nøytrinoer, hver assosiert med et unikt subatomisk søsken, kalt elektroner, muoner og taus. Elektroner er det som forårsaker elektrisitet, og muon og tau-partikkelen er veldig mye som elektroner, men tyngre og ustabile.
De tre typene nøytrinoer, kalt elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino, kan "morph" inn i andre typer nøytrinoer og tilbake igjen. Denne oppførselen kalles neutrino oscillation.
Neutrino-svingning er et unikt kvantefenomen, men det er omtrent analogt med å starte med en bolle med vaniljeis, og når du har funnet en skje, kommer du tilbake til å finne at bollen er halv vanilje og halv sjokolade. Neutrinoer endrer identiteten sin fra å være helt en type, til en blanding av typer, til en helt annen type, og deretter tilbake til den opprinnelige typen.
Antineutrino-svingninger
Neutrinoer er stoffpartikler, men antimaterte nøytrinoer, kalt antineutrinoer, finnes også. Og det fører til et veldig viktig spørsmål. Neutrinoer oscillerer, men svinger antineutrinoer også og svinger de på nøyaktig samme måte som nøytrinoer? Svaret på det første spørsmålet er ja, mens svaret på det andre ikke er kjent.
La oss vurdere dette litt mer fullstendig, men på en forenklet måte: Anta at det bare var to neutrino-typer - muon og elektron. Anta videre at du hadde en stråle av nøytrinoer av bare muon-type. Neutrinoer svinger med en bestemt hastighet, og siden de beveger seg nær lysets hastighet, svinger de som en funksjon av avstand fra der de ble opprettet. Dermed vil en stråle av rene muonneutrinoer se ut som en blanding av muon- og elektrontyper på litt avstand, deretter rent elektrontyper på en annen avstand og deretter tilbake til bare muon. Antimateriale nøytrinoer gjør det samme.
Imidlertid, hvis materie og antimateriale nøytrinoer svinger i litt forskjellige hastigheter, kan du forvente at hvis du var en fast avstand fra det punktet der en bjelke med rene muonneutrino eller muon antineutrino ble opprettet, ville du i neutrino tilfelle se en blanding av muon- og elektronnøytrinoer, men i antimateriale neutrino-tilfellet, vil du se en annen blanding av antimateriell-muon- og elektronnøytrinoer. Den faktiske situasjonen kompliseres av det faktum at det er tre typer nøytrinoer og svingningen avhenger av strålenergi, men dette er de store ideene.
Observasjon av forskjellige svingningsfrekvenser fra nøytrinoer og antineutrinoer ville være et viktig skritt i retning av å forstå det faktum at universet er laget av materie. Det er ikke hele historien, fordi flere nye fenomener også må inneholde, men forskjellen mellom materie og antimaterie-nøytrino er nødvendig for å forklare hvorfor det er mer materie i universet.
I den gjeldende teori som beskriver neutrino-interaksjoner, er det en variabel som er følsom for muligheten for at nøytrinoer og antineutrinoer svinger annerledes. Hvis den variabelen er null, svinger de to typer partikler med samme hastigheter; Hvis den variabelen skiller seg fra null, svinger de to partikkeltypene ulikt.
Da T2K målte denne variabelen, fant de ut at den var i strid med hypotesen om at nøytrinoer og antineutrinoer svinger identisk. Litt mer teknisk bestemte de en rekke mulige verdier for denne variabelen. Det er 95 prosent sjanse for at den sanne verdien for den variabelen er innenfor det området og bare 5 prosent sjanse for at den sanne variabelen er utenfor det området. Hypotesen om "ingen forskjell" er utenfor 95 prosent-området.
I enklere termer antyder dagens måling at nøytrinoer og antimateriale nøytrinoer svinger ulikt, selv om sikkerheten ikke stiger til nivået for å gjøre en endelig påstand. Faktisk påpeker kritikere at målinger med dette nivået av statistisk betydning bør sees veldig, veldig skeptisk. Men det er absolutt et enormt provoserende første resultat, og verdens vitenskapelige samfunn er ekstremt interessert i å se forbedrede og mer presise studier.
T2K-eksperimentet vil fortsette å registrere ytterligere data i håp om å gjøre en endelig måling, men det er ikke det eneste spillet i byen. På Fermilab, som ligger utenfor Chicago, skyter et lignende eksperiment kalt NOVA både nøytrinoer og antimaterie-nøytrinoer til Nord-Minnesota, i håp om å slå T2K til stans. Og når vi ser mer på fremtiden, jobber Fermilab hardt med det som vil være flaggskipets eksperiment, kalt DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), som vil ha langt overlegne evner til å studere dette viktige fenomenet.
Selv om T2K-resultatet ikke er definitivt og forsiktighet er garantert, er det absolutt fristende. Gitt enorme spørsmålet om hvorfor universet vårt ser ut til å ikke ha noen nevneverdig antimaterie, vil verdens vitenskapelige samfunn ivrig avvente ytterligere oppdateringer.
