Hyvin varhaisessa vaiheessa maailmankaikkeus, pian alkuräjähdyksen jälkeen,asia' ja 'antimateriaalia' oli molempia yhtä paljon. Kuitenkin toistaiseksi tuntemattomista syistä "asia' hallitsee nykyhetkeä maailmankaikkeus. T2K-tutkijat ovat äskettäin osoittaneet mahdollisen Charge-Parity-rikkomuksen esiintymisen neutriinoissa ja vastaavia antineutrinovärähtelyjä. Tämä on askel eteenpäin syiden ymmärtämisessä asia hallitsee maailmankaikkeus.
Alkuräjähdys (joka tapahtui noin 13.8 miljardia vuotta sitten) ja muut siihen liittyvät fysiikan teoriat viittaavat siihen, että varhainen maailmankaikkeus oli säteily "dominoivaa" ja "asia' ja 'antimateria' oli olemassa yhtä paljon.
Mutta maailmankaikkeus jonka tiedämme nykyään olevan "aine" hallitseva. Miksi? Tämä on yksi kiehtovimmista mysteereistä maailmankaikkeus. (1).
- maailmankaikkeus jonka tiedämme nykyään alkaneen yhtä suurella määrällä "ainetta" ja "antimateriaalia", molemmat luotiin pareittain luonnonlain edellyttämällä tavalla ja sitten tuhoutuivat toistuvasti tuottaen säteilyä, joka tunnetaan nimellä "kosminen taustasäteily". Noin 100 mikrosekunnissa alkuräjähdyksestä aine (hiukkaset) alkoi jollain tapaa ylittää antihiukkasen, vaikkapa yksi miljardista ja sekunneissa kaikki antiaine tuhoutui jättäen jälkeensä vain aineen.
Mikä on se prosessi tai mekanismi, joka loisi tällaisen eron tai epäsymmetrian aineen ja antiaineen välille?
Vuonna 1967 venäläinen teoreettinen fyysikko Andrei Saharov esitti kolme ehtoa, jotka ovat välttämättömiä epätasapainon (tai aineen ja antiaineen tuotannon eri nopeuksilla) esiintymiselle maailmankaikkeus. Ensimmäinen Saharov-ehto on baryoniluvun (kvanttiluku, joka säilyy vuorovaikutuksessa) rikkomus. Se tarkoittaa, että protonit hajosivat erittäin hitaasti kevyemmiksi subatomisiksi hiukkasiksi, kuten neutraaliksi pioniksi ja positroniksi. Vastaavasti antiprotoni hajosi pioniksi ja elektroniksi. Toinen ehto on varauskonjugaatiosymmetrian, C, ja varauskonjugaatio-pariteettisymmetrian, CP, jota kutsutaan myös varauspariteettirikkomukseksi. Kolmas ehto on, että baryoni-epäsymmetriaa synnyttävä prosessi ei saa olla lämpötasapainossa, koska nopea laajeneminen vähentää parien tuhoutumisen esiintymistä.
Se on Saharovin toinen CP-rikkomuskriteeri, joka on esimerkki eräänlaisesta epäsymmetriasta hiukkasten ja niiden antihiukkasten välillä, joka kuvaa tapaa, jolla ne hajoavat. Vertaamalla hiukkasten ja antihiukkasten käyttäytymistä eli tapaa, jolla ne liikkuvat, ovat vuorovaikutuksessa ja hajoavat, tutkijat voivat löytää todisteita tästä epäsymmetriasta. CP-rikkomus on todiste siitä, että jotkin tuntemattomat fysikaaliset prosessit ovat vastuussa aineen ja antiaineen erilaisesta tuotannosta.
Sähkömagneettisten ja ”voimakkaiden vuorovaikutusten” tiedetään olevan symmetrisiä C:n ja P:n kohdalla, ja näin ollen ne ovat symmetrisiä myös tuotteen CP (3) kohdalla. "Tämä ei kuitenkaan välttämättä pidä paikkaansa "heikon vuorovaikutuksen" kohdalla, joka rikkoo sekä C- että P-symmetriaa. sanoo prof. BA Robson. Hän sanoo edelleen, että "CP:n rikkominen heikossa vuorovaikutuksessa tarkoittaa, että tällaiset fyysiset prosessit voivat johtaa epäsuoraan baryoniluvun rikkomiseen niin, että aineen luominen olisi etusijalla antimateriaalin luomiseen". Ei-kvarkkihiukkaset eivät osoita CP-rikkomuksia, kun taas kvarkkien CP-rikkomukset ovat liian pieniä ja merkityksettömiä, jotta niillä olisi eroa aineen ja antiaineen luomisessa. Joten CP-rikkomus leptoneissa (neutriinot) tulee tärkeäksi ja jos se todistetaan, se vastaisi miksi maailmankaikkeus on aine hallitseva.
Vaikka CP-symmetriarikkomus ei ole vielä todistettu lopullisesti (1), mutta T2K-ryhmän äskettäin raportoimat havainnot osoittavat, että tutkijat ovat todella lähellä sitä. Ensimmäistä kertaa on osoitettu, että siirtyminen hiukkasista elektroneihin ja neutriinoihin suosii siirtymistä antihiukkasista elektroneihin ja antineutriinoihin erittäin pitkälle kehitetyillä kokeilla T2K:ssa (Tokaista Kamiokaan) (2). T2K viittaa kahteen laboratorioon, japanilaiseen protonikiihdytintutkimuskompleksiin (J-Parc) Tokai ja Super-Kamiokanden maanalainen neutriinoobservatorio Kamioka, Japani, noin 300 km:n päässä toisistaan. Tokain protonikiihdytin synnytti hiukkaset ja antihiukkaset suurienergisista törmäyksistä, ja Kamiokan ilmaisimet tarkkailivat neutriinoja ja niiden antimateriaaleja, antineutriinoja tekemällä erittäin tarkkoja mittauksia.
Useiden vuosien T2K-tiedon analysoinnin jälkeen tutkijat pystyivät mittaamaan delta-CP-nimisen parametrin, joka säätelee neutriinovärähtelyn CP-symmetrian murtumista, ja havaitsivat epäsuhtauden tai suosivan neutriinonopeuden tehostamista, mikä voi lopulta johtaa CP-rikkomusten vahvistus neutriinojen ja antineutriinojen värähtelyssä. T2K-ryhmän löytämät tulokset ovat merkittäviä tilastollisella merkitsevyydellä 3 sigman tai 99.7 %:n luottamustasolla. Se on virstanpylvässaavutus, koska neutriinoihin liittyvän CP-rikkomuksen vahvistus liittyy aineen hallitsevaan asemaan maailmankaikkeus. Lisäkokeet suuremmalla tietokannalla testaavat, onko tämä leptoninen CP-symmetrian rikkomus suurempi kuin CP-rikkomus kvarkeissa. Jos näin on, meillä on vihdoin vastaus kysymykseen Miksi maailmankaikkeus on aine hallitseva.
Vaikka T2K-kokeessa ei selvästikään osoiteta, että CP-symmetriarikkomus on tapahtunut, mutta se on virstanpylväs siinä mielessä, että se osoittaa lopullisesti paremman elektronineutroninopeuden suosimisen ja vie meidät lähemmäksi CP-symmetriarikkomusten esiintymisen todistamista ja lopulta vastaa 'miksi maailmankaikkeus on aine hallitseva'.
***
Viitteet:
1. Tokion yliopisto, 2020. ''T2K-tulokset rajoittavat Neutrino CP -vaiheen mahdollisia arvoja -…..'' Lehdistötiedote Julkaistu 16. huhtikuuta 2020. Saatavilla verkossa osoitteessa http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Käytetty 17.
2. The T2K Collaboration, 2020. Rajoite aine-antimateriaali -symmetriaa rikkovaan vaiheeseen neutriinovärähtelyissä. Luonto-teos 580, sivut 339–344(2020). Julkaistu: 15. huhtikuuta 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Matter-Antimatter Asymmetry Problem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
