Един от големите въпроси, останали за нашата Вселена, е защо има повече материя от антиматерия.
(Изображение: © GiroScience / Shutterstock.com)
Може да сме голяма крачка по-близо до разрушаването на една от най-големите и основни мистерии на Вселената.
Учените смятат, че когато Вселената се е родила преди близо 14 милиарда години, тя е съдържала равни количества материя и нейния причудлив колега, антиматерия, Частиците на антиматерията имат същата маса като техните "нормални" братовчеди, но срещуположни електрически заряди. Може би най-известният такъв дует е електронът (нормален, отрицателно зареден) и позитронът (антиматерия, положително зареден).
Когато частиците от материята и антиматерията се сблъскат, те унищожават с перфектна ефективност, превръщайки се в 100% чиста енергия. (Този удобен факт е защо писателите на научнофантастични филми обичат да пускат двигатели против материя на техните звездни кораби.)
И в това се крие загадката: Ако при раждането на Вселената имаше равен брой частици и античастици, всички те трябваше да се намерят и унищожат взаимно, оставяйки нашия космос напълно ограбен от всеки. Но това очевидно не се е случило, както ясно показва вашето съществуване. В крайна сметка се получи малък излишък от материя над антиматерията - простоедна-единствена частица на милиард двойки материя-антиматерия.
Физиците са събрали някои улики за тази загадка за излишната материя през годините. Например, през 60-те те разбраха, че кварките и антикварките не се държат по абсолютно същия начин. Но това нарушение на „симетрия на обратната четност-обратната симетрия“ или на симетрията на СР за кратко не беше достатъчно съществено, за да обясни несъответствието между материята и антиматерията.
Различен вид нарушение на симетрията обаче може би е възможно. В крайна сметка кварците - градивните блокове на протоните и неутроните - не са единствените субатомни частици там. Те имат роднини, известни като лептони, категория, която включва електрони, мюони, частици тау и неутрино. (Кварки и лептони от своя страна са фермиони, една от двете основни категории субатомни частици. Другата категория са бозоните, които включват частици, пренасящи сила като фотона, глюона и др. Хигс и все още непотвърдения гравитон.)
Ново проучване изглеждаше трудно за признаци на нарушение на симетрията на CP при неутрино и излезе с някои интригуващи резултати. Данните идват до голяма степен от проекта T2K, който генерира лъчи от неутрино или антинейтрино, в зависимост от експерименталната настройка, в Японския протонно-ускорителен изследователски комплекс в град Токай.
По-голямата част от частиците на лъча приближават Земята, като нашата планета дори не е там. (Неутринос, наречен "призрачни частици", е странно по този начин.) Но някои от тях получават флаг от подземен детектор в обсерваторията Камиока, на 183 мили (295 километра) от Токай. Този детектор представлява резервоар, напълнен с 55 000 тона (50 000 тона) много чиста вода. Когато неутрино взаимодейства с неутрон в резервоара, може да се получи мюон или електрон. И чувствителното оборудване вдига тези вторични частици.
Такива открития съдържат много информация. Например, докато неутрино пътуват, те се колебаят между три различни „аромати“: електрон, мюон и тау. (Да, имената на ароматите са объркващи, като се има предвид, че електронът, мюонът и тауто също са монитори за различни частици. Но физиката на частиците е объркваща!) И ароматният тип определя коя вторична частица се получава по време на сблъсък с неутрон.
T2K Collaboration анализира данни, събрани по проекта от 2009 г. до 2018 г., както и наблюдения от подобни експерименти. В новото проучване, което беше публикувано онлайн днес (15 април) в списание Nature, изследователите съобщават, че са открили доказателства, че неутрино и антинейтрино се колебаят по различни начини.
„Резултатите изключват запазването на CP (тоест предполагат, че е настъпило нарушение на CP) при 95% ниво на доверие и показват, че параметърът, нарушаващ CP, вероятно е голям“, физиците Силвия Пасколи и Джесика Търнър - от Университетът в Дърам в Англия и Министерството на енергетиката на САЩ Фермилаб в Илинойс, съответно - пише в придружаващо парче „News & Views“ в същия брой на Nature.
„Тези резултати биха могли да бъдат първите индикации за произхода на материята - асиметрия на антиматерията в нашата вселена“, добавят Пасколи и Търнър, които не са участвали в новите изследвания.
За да е ясно обаче: Самите резултати не са убедителна демонстрация на нарушение на СР с неутрино и антинейтрино.
"Виждаме някои индикации", заяви водещият автор на изследването Ацуко К. Ичикава от университета в Киото в Япония пред Space.com чрез имейл. „Настоящият резултат е важна стъпка за наблюдение на нарушение на CP.“
Следването на следващата стъпка ще изисква повече данни, подчерта Ичикава. Но има добра новина на този фронт: Няколко експеримента с неутрино от ново поколение вече са в процес на работа. Например японският T2HK, който ще бъде подобен на, но по-мощен от T2K, беше официално оцветен през февруари, отбелязват Пасколи и Търнър. А Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), който ще използва лъч във Fermilab и детектори там и в Южна Дакота, е планирано да влезе в интернет в средата на 2020-те.
T2HK и DUNE ще "предоставят допълнителни техники и измервания", пише Пасколи и Търнър. "Вероятно ще ни дадат окончателен отговор в стремежа за нарушение на CP през следващите 15 години."
- 18-те най-големи неразгадани мистерии във физиката
- Лазерният експеримент помага да се разгадае мистерията на антиматерията
- Първият твърд знак, че материята не се държи като антиматерия
