Helt tidlig univers, like etter Big Bang,rolle' og 'antimaterien' eksisterte begge i like store mengder. Imidlertid, av de så langt ukjente årsakene,rolle' dominerer nåtiden univers. T2K-forskerne har nylig vist forekomst av et mulig Charge-Parity-brudd i nøytrino og de tilsvarende anti-nøytrinoscillasjonene. Dette er et skritt fremover for å forstå hvorfor rolle dominerer univers.
Big Bang (som skjedde for rundt 13.8 milliarder år siden) og andre relaterte fysikkteorier antyder at de tidlige univers var stråling "dominerende" og "rolle' og 'antimaterie' eksisterte i like mye.
Men univers som vi vet i dag er 'materie' dominerende. Hvorfor? Dette er et av de mest spennende mysteriene univers. (1).
De univers som vi vet i dag startet med like mengder "materie" og "antimaterie", begge ble skapt i par som naturloven ville kreve, og ble deretter utslettet gjentatte ganger og produserte stråling kjent som "kosmisk bakgrunnsstråling". I løpet av omtrent 100 mikrosekunder etter Big Bang begynte materien (partiklene) på en eller annen måte å overstige antipartikler med for eksempel én av hver milliard, og i løpet av sekunder ble all antimaterie ødelagt, og bare materie etterlot seg.
Hva er prosessen eller mekanismen som ville skape denne typen forskjell eller asymmetri mellom materie og antimaterie?
I 1967 postulerte den russiske teoretiske fysikeren Andrei Sakharov tre forhold som var nødvendige for at en ubalanse (eller produksjon av materie og antimaterie i ulik hastighet) skulle oppstå i univers. Første Sakharov-tilstand er baryonnummeret (et kvantenummer som forblir bevart i en interaksjon). Det betyr at protoner forfalt ekstremt sakte til lettere subatomære partikler som en nøytral pion og en positron. På samme måte forfalt et antiproton til et pion og et elektron. Den andre betingelsen er brudd på ladningskonjugasjonssymmetri, C, og ladningskonjugasjons-paritetssymmetri, CP også kalt Charge-Parity-brudd. Tredje betingelse er at prosessen som genererer baryonasymmetri ikke må være i termisk likevekt på grunn av rask ekspansjon som reduserer forekomsten av parutslettelse.
Det er Sakharovs andre kriterium for CP-brudd, som er et eksempel på en slags asymmetri mellom partikler og deres antipartikler som beskriver måten de forfaller. Ved å sammenligne måten partikler og antipartikler oppfører seg på, dvs. måten de beveger seg, samhandler med og forfaller, kan forskere finne bevis på den asymmetrien. CP-bruddet gir et bevis på at noen ukjente fysiske prosesser er ansvarlige for den differensielle produksjonen av materie og antimaterie.
De elektromagnetiske og 'sterke interaksjonene' er kjent for å være symmetriske under C og P, og følgelig er de også symmetriske under produktet CP (3). '' Dette er imidlertid ikke nødvendigvis tilfellet for den 'svake interaksjonen', som bryter med både C- og P-symmetriene'' sier prof. BA Robson. Han sier videre at "brudd på CP i svake interaksjoner innebærer at slike fysiske prosesser kan føre til indirekte brudd på baryonnummer, slik at materieskaping vil bli foretrukket fremfor antimaterieskaping". Ikke-kvarkpartikler viser ingen CP-brudd, mens CP-bruddet i kvarker er for små og er ubetydelige til å ha en forskjell i materie- og antimaterieskaping. Så CP-bruddet i leptoner (nøytrinoer) blir viktig, og hvis det er bevist, vil det svare på hvorfor univers er materiedominerende.
Selv om brudd på CP-symmetri ennå ikke er bevist definitivt (1), men funnene rapportert av T2K-teamet viser nylig at forskere er veldig nærme det. Det er for første gang demonstrert at overgangen fra partikkel til elektron og nøytrino favoriseres fremfor overgangen fra antipartikkel til elektron og antinøytrino, gjennom svært sofistikerte eksperimenter ved T2K (Tokai til Kamioka) (2). T2K refererer til et par laboratorier, Japanese Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) i Tokai og det underjordiske nøytrinoobservatoriet Super-Kamiokande i Kamioka, Japan, atskilt med ca. 300 km. Protonakseleratoren ved Tokai genererte partiklene og antipartiklene fra høyenergikollisjoner, og detektorer ved Kamioka observerte nøytrinoene og deres antimaterie-motstykker, antinøytrinoer ved å gjøre svært presise målinger.
Etter analysen av flere år med data ved T2K, var forskere i stand til å måle parameteren kalt delta-CP, som styrer CP-symmetribruddet i nøytrinoscillasjon og fant misforholdet eller en preferanse for forbedring av nøytrinohastigheten som til slutt kan føre til bekreftelsen av CP-brudd i måten nøytrinoer og antinøytrinoer svingte. Resultatene funnet av T2K-teamet er signifikante ved statistisk signifikans på 3-sigma eller 99.7 % konfidensnivå. Det er en milepæl ettersom bekreftelse av CP-brudd som involverer nøytrinoer er knyttet til materiens dominans i univers. Ytterligere eksperimenter med større database vil teste om dette leptoniske CP-symmetribruddet er større enn CP-brudd i kvarker. Hvis det er slik, vil vi endelig ha svaret på spørsmålet Hvorfor univers er materiedominerende.
Selv om T2K-eksperimentet ikke tydelig fastslår at CP-symmetribrudd har skjedd, men det er en milepæl i den forstand at det definitivt viser en sterk preferanse for forbedret elektronnøytronhastighet og tar oss nærmere beviset for forekomsten av CP-symmetribrudd og til slutt til svar 'hvorfor univers er materiedominerende'.
***
Referanser:
1. Tokyo University, 2020. ''T2K-resultater begrenser mulige verdier av Neutrino CP Phase -…..'' Pressemelding publisert 16. april 2020. Tilgjengelig online på http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Tilgang 17. april 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. Begrensning på materie-antimaterie symmetri-krenkende fase i nøytrinoscillasjoner. Natur bind 580, side 339–344 (2020). Publisert: 15. april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Matter-Antimatter Asymmetri Problem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
