Bardzo wcześnie wszechświat, wkrótce po Wielkim Wybuchu, „znaczenia' i 'antymateria' istniały w równych ilościach. Jednakże z nieznanych dotychczas powodów „znaczenia' dominuje teraźniejszość wszechświat. Badacze z T2K wykazali niedawno występowanie możliwego naruszenia parytetu ładunku w neutrinach i odpowiadających im oscylacji antyneutrin. To krok naprzód w zrozumieniu dlaczego znaczenia dominuje wszechświat.
Wielki Wybuch (który miał miejsce około 13.8 miliarda lat temu) i inne powiązane teorie fizyki sugerują, że wczesny wszechświat było promieniowanie 'dominujące', a 'znaczenia„i”antymateriaistniały w równej ilości.
Ale wszechświat jak wiemy dzisiaj, dominuje „materia”. Dlaczego? To jedna z najbardziej intrygujących tajemnic wszechświat. (1).
Połączenia wszechświat wiemy, że dzisiaj zaczęło się od równych ilości „materii” i „antymaterii”, obie zostały stworzone parami, jak wymagałoby tego prawo natury, a następnie zostały wielokrotnie unicestwione, wytwarzając promieniowanie znane jako „kosmiczne promieniowanie tła”. W ciągu około 100 mikro sekund od Wielkiego Wybuchu materia (cząstki) w jakiś sposób zaczęła przewyższać liczebnie antycząstkę, powiedzmy, jedną na miliard, aw ciągu kilku sekund cała antymateria została zniszczona, pozostawiając po sobie tylko materię.
Jaki jest proces lub mechanizm, który stworzyłby tego rodzaju różnicę lub asymetrię między materią a antymaterią?
W 1967 roku rosyjski fizyk teoretyczny Andriej Sacharow postulował istnienie trzech warunków niezbędnych do wystąpienia braku równowagi (lub produkcji materii i antymaterii w różnym tempie) w wszechświat. Pierwszym warunkiem Sacharowa jest naruszenie liczby barionowej (liczby kwantowej, która pozostaje zachowana w interakcji). Oznacza to, że protony rozpadały się niezwykle powoli na lżejsze cząstki subatomowe, takie jak neutralny pion i pozyton. Podobnie antyproton rozpadł się na pion i elektron. Drugim warunkiem jest naruszenie symetrii koniugacji ładunku, C, i symetrii koniugacji ładunku, CP, zwanej także naruszeniem parzystości ładunku. Trzeci warunek jest taki, że proces generujący asymetrię barionową nie może znajdować się w równowadze termicznej ze względu na szybką ekspansję zmniejszającą występowanie anihilacji par.
Jest to drugie kryterium łamania CP Sacharowa, które jest przykładem pewnego rodzaju asymetrii między cząstkami i ich antycząstkami, opisującej sposób ich rozpadu. Porównując zachowanie cząstek i antycząstek, tj. sposób ich poruszania się, interakcji i rozpadu, naukowcy mogą znaleźć dowody na tę asymetrię. Naruszenie CP dostarcza dowodów na to, że pewne nieznane procesy fizyczne są odpowiedzialne za zróżnicowaną produkcję materii i antymaterii.
Wiadomo, że oddziaływania elektromagnetyczne i „silne” są symetryczne pod C i P, aw konsekwencji są również symetryczne pod iloczynem CP (3). „Jednak niekoniecznie tak jest w przypadku „słabej interakcji”, która narusza zarówno symetrie C, jak i P”. mówi prof. BA Robson. Mówi dalej, że „naruszenie CP w słabych interakcjach oznacza, że takie procesy fizyczne mogą prowadzić do pośredniego naruszenia liczby barionowej, tak że preferowane byłoby tworzenie materii zamiast tworzenia antymaterii”. Cząstki niekwarkowe nie wykazują żadnych naruszeń CP, podczas gdy naruszenia CP w kwarkach są zbyt małe i nieistotne, aby mieć różnicę w powstaniu materii i antymaterii. Zatem naruszenie CP w leptonach (neutrina) stają się ważne i jeśli zostanie to udowodnione, będzie to odpowiedź na pytanie, dlaczego wszechświat jest dominującą materią.
Chociaż naruszenie symetrii CP nie zostało jeszcze ostatecznie udowodnione (1), ale odkrycia zgłoszone przez zespół T2K niedawno pokazują, że naukowcy są naprawdę blisko tego. Wykazano po raz pierwszy, że przejście od cząstki do elektronu i neutrina jest faworyzowane niż przejście od antycząstki do elektronu i antyneutrina, dzięki wysoce wyrafinowanym eksperymentom w T2K (Tokai do Kamioka) (2). T2K odnosi się do pary laboratoriów, japońskiego kompleksu badawczego akceleratorów protonowych (J-Parc) w Tokai oraz podziemne obserwatorium neutrin Super-Kamiokande w Kamioki, Japonia, oddzielona około 300 km. Akcelerator protonów w Tokai generował cząstki i antycząstki z wysokoenergetycznych zderzeń, a detektory w Kamioce obserwowały neutrina i ich odpowiedniki z antymaterii, antyneutrina, dokonując bardzo precyzyjnych pomiarów.
Po analizie danych z kilku lat w T2K naukowcom udało się zmierzyć parametr zwany delta-CP, który reguluje łamanie symetrii CP w oscylacjach neutrin i odkryli niedopasowanie lub preferencję zwiększania szybkości neutrin, co może ostatecznie prowadzić do potwierdzenie naruszenia CP w sposobie oscylacji neutrin i antyneutrin. Wyniki uzyskane przez zespół T2K są istotne przy istotności statystycznej na poziomie 3 sigma lub poziomie ufności 99.7%. Jest to przełomowe osiągnięcie, ponieważ potwierdzenie naruszenia CP z udziałem neutrin wiąże się z dominacją materii w kosmosie. wszechświat. Dalsze eksperymenty z większą bazą danych sprawdzą, czy to leptoniczne naruszenie symetrii CP jest większe niż naruszenie symetrii CP w kwarkach. Jeśli tak, to w końcu poznamy odpowiedź na pytanie: Dlaczego wszechświat jest dominującą materią.
Chociaż eksperyment T2K nie wykazał wyraźnie, że nastąpiło naruszenie symetrii CP, jest jednak kamieniem milowym w tym sensie, że niezbicie wskazuje na silną preferencję dla zwiększonej szybkości neutronów elektronowych i przybliża nas do udowodnienia wystąpienia naruszenia symetrii CP i ostatecznie do odpowiedzieć „dlaczego wszechświat jest materią dominującą”.
***
Referencje:
1. Uniwersytet Tokijski, 2020. „Wyniki T2K ograniczają możliwe wartości fazy CP Neutrino –…..” Komunikat prasowy opublikowany 16 kwietnia 2020 r. Dostępny online pod adresem http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Dostęp 17 kwietnia 2020 r.
2. The T2K Collaboration, 2020. Ograniczenie materii – faza naruszająca symetrię antymaterii w oscylacjach neutrin. Nature tom 580, strony 339–344(2020). Opublikowano: 15 kwietnia 2020 r. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Problem asymetrii materii i antymaterii. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
