V zelo zgodnjih Vesolje, kmalu po velikem poku,pomembno' in 'antimaterija' sta obstajala v enaki količini. Vendar pa je iz doslej neznanih razlogov 'pomembno' prevladuje v sedanjosti Vesolje. Raziskovalci T2K so nedavno pokazali pojav možne kršitve paritete naboja v nevtrinu in ustreznih anti-nevtrinskih oscilacij. To je korak naprej pri razumevanju, zakaj pomembno prevladuje Vesolje.
Veliki pok (ki se je zgodil pred približno 13.8 milijarde let) in druge sorodne teorije fizike kažejo, da je zgodnji Vesolje je bilo sevanje 'prevladujoče' in 'pomembno' in 'antimaterija' obstajal v enaki količini.
Vendar Vesolje za katero danes vemo, da prevladuje 'materija'. Zakaj? To je ena najbolj zanimivih skrivnosti Vesolje. (1).
O Vesolje za katero vemo danes, se je začelo z enakimi količinami 'materije' in 'antimaterije', obe sta bili ustvarjeni v parih, kot bi zahteval naravni zakon, nato pa sta bili večkrat uničeni, kar je povzročilo sevanje, znano kot 'kozmično sevanje ozadja'. V približno 100 mikro sekundah velikega poka je snov (delci) nekako začela prekašati antidelec za recimo enega na vsako milijardo in v nekaj sekundah je bila vsa antimaterija uničena, za seboj pa je ostala samo materija.
Kakšen je proces ali mehanizem, ki bi ustvaril tovrstno razliko ali asimetrijo med snovjo in antimaterijo?
Leta 1967 je ruski teoretični fizik Andrej Saharov postavil tri pogoje, ki so potrebni za neravnovesje (ali proizvodnjo snovi in antimaterije z različnimi stopnjami), da se pojavi v Vesolje. Prvi pogoj Saharova je kršitev barionskega števila (kvantnega števila, ki ostane ohranjeno v interakciji). To pomeni, da so protoni izjemno počasi razpadali v lažje subatomske delce, kot sta nevtralni pion in pozitron. Podobno je antiproton razpadel na pion in elektron. Drugi pogoj je kršitev simetrije konjugacije naboja, C, in simetrije parnosti naboja, CP, imenovane tudi kršitev parnosti naboja. Tretji pogoj je, da proces, ki ustvarja barionsko asimetrijo, ne sme biti v toplotnem ravnovesju zaradi hitre ekspanzije, ki zmanjšuje pojav anihilacije parov.
To je drugi Saharovov kriterij kršitve CP, ki je primer nekakšne asimetrije med delci in njihovimi antidelci, ki opisuje način njihovega razpada. S primerjavo načina obnašanja delcev in antidelcev, tj. načina, kako se premikajo, medsebojno delujejo in razpadajo, lahko znanstveniki najdejo dokaze za to asimetrijo. Kršitev CP zagotavlja dokaz, da so nekateri neznani fizični procesi odgovorni za diferencialno proizvodnjo snovi in antimaterije.
Znano je, da so elektromagnetne in 'močne interakcije' simetrične pod C in P, zato so simetrične tudi pod produktom CP (3). ''Vendar to ne velja nujno za 'šibko interakcijo', ki krši tako C kot P simetrijo'' pravi prof. BA Robson. Nadalje pravi, da "kršitev CP pri šibkih interakcijah pomeni, da bi takšni fizikalni procesi lahko vodili do posredne kršitve barionskega števila, tako da bi bilo ustvarjanje materije prednost pred ustvarjanjem antimaterije". Delci, ki niso kvarki, ne kažejo nobenih kršitev CP, medtem ko je kršitev CP v kvarkih premajhna in nepomembna, da bi obstajala razlika v ustvarjanju materije in antimaterije. Torej, kršitev CP v leptonih (nevtrini) postala pomembna in če bo dokazana, bo odgovorila, zakaj Vesolje je materija prevladujoča.
Čeprav je treba kršitev simetrije CP še dokončno dokazati (1), vendar ugotovitve, ki jih je nedavno poročala ekipa T2K, kažejo, da so znanstveniki res blizu temu. Prvič je bilo dokazano, da je prehod z delca na elektron in nevtrino prednost pred prehodom z antidelcev na elektron in antinevtrino, z zelo izpopolnjenimi poskusi na T2K (Tokai do Kamioka) (2). T2K se nanaša na par laboratorijev, japonski raziskovalni kompleks protonskih pospeševalcev (J-Parc) v Tokai in podzemni nevtrinski observatorij Super-Kamiokande v Kamioka, Japonska, ločena s približno 300 km. Protonski pospeševalnik v Tokaiju je ustvaril delce in antidelce iz trkov z visoko energijo, detektorji v Kamioki pa so opazovali nevtrine in njihove antimaterije, antinevtrine, z zelo natančnimi meritvami.
Po analizi večletnih podatkov na T2K so znanstveniki lahko izmerili parameter, imenovan delta-CP, ki uravnava zlom simetrije CP pri nihanju nevtrina, in ugotovili neusklajenost ali željo po povečanju hitrosti nevtrina, ki lahko sčasoma privede do potrditev kršitve CP v načinu nihanja nevtrinov in antinevtrinov. Rezultati, ki jih je ugotovila skupina T2K, so pomembni pri statistični pomembnosti 3-sigma ali 99.7-odstotni stopnji zaupanja. To je mejnik, saj je potrditev kršitve CP, ki vključuje nevtrine, povezana s prevlado snovi v Vesolje. Nadaljnji poskusi z večjo bazo podatkov bodo preizkusili, ali je ta leptonska kršitev simetrije CP večja od kršitve CP v kvarkih. Če je tako, potem bomo končno dobili odgovor na vprašanje Zakaj Vesolje je materija prevladujoča.
Čeprav eksperiment T2K ne dokazuje jasno, da je prišlo do kršitve simetrije CP, je mejnik v smislu, da dokončno kaže močno naklonjenost povečani hitrosti elektronskih nevtronov in nas popelje bližje dokazovanju pojava kršitve simetrije CP in na koncu k odgovori 'zakaj Vesolje je materija prevladujoča'.
***
Reference:
1. Univerza v Tokiu, 2020. ''Rezultati T2K omejujejo možne vrednosti nevtrinske CP faze -…..'' Sporočilo za javnost Objavljeno 16. aprila 2020. Dostopno na spletu na http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Dostop 17. aprila 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. Omejitev na fazo, ki krši simetrijo materije in antimaterije v nevtrinskih nihanjih. Narava letnik 580, strani 339–344 (2020). Objavljeno: 15. 2020. XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Problem asimetrije snovi in antimaterije. Časopis za fiziko visokih energij, gravitacijo in kozmologijo, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
