Учените се наслаждават на изследването на мистериите и колкото по-голяма е мистерията, толкова по-голям е ентусиазмът. Има много огромни въпроси без отговор в науката, но когато ставаш голям, е трудно да се победиш "Защо има нещо, вместо нищо?"
Това може да изглежда като философски въпрос, но той е много податлив на научното проучване. Заявено малко по-конкретно: „Защо Вселената е направена от видовете материя, която прави човешкия живот възможен, за да можем дори да зададем този въпрос?“ Учените, провеждащи изследвания в Япония, обявиха измерване миналия месец, което директно се занимава с най-увлекателните проучвания. Изглежда, че тяхното измерване не е в съответствие с най-простите очаквания на настоящата теория и би могло да насочи към отговор на този вечен въпрос.
Измерването им изглежда казва, че за определен набор от субатомни частици материята и антиматерията действат различно.
Материя срещу антиматерия
Използвайки J-PARC ускорителя, разположен в Токай, Япония, учените изстреляха лъч от призрачни субатомни частици, наречени неутрино и техните антиматериални колеги (антинейтрино) през Земята, до експеримента Супер Камиоканде, разположен в Камиока, също в Япония. Този експеримент, наречен T2K (Токай до Камиоканде), е предназначен да определи защо нашата Вселена е направена от материя. Едно своеобразно поведение, проявявано от неутрино, наречено неутрино трептене, може да хвърли малко светлина върху този много неприятен проблем.
Питането защо Вселената е изградена от материя може да звучи като особен въпрос, но има много добра причина учените да са изненадани от това. Това е така, защото освен че знаят за съществуването на материята, учените знаят и за антиматерията.
През 1928 г. британският физик Пол Дирак предложи съществуването на антиматерия - антагонистичен роднин на материята. Комбинирайте равни количества материя и антиматерия и двете ги унищожавате, което води до освобождаване на огромно количество енергия. И тъй като принципите на физиката обикновено работят еднакво добре и обратно, ако имате огромно количество енергия, тя може да се превърне в точно равни количества материя и антиматерия. Антиматерията е открита през 1932 г. от американеца Карл Андерсън и изследователите са имали близо век да изучават нейните свойства.
Въпреки това, фразата "в абсолютно равни количества" е основата на главоблъсканица. В кратките мигове веднага след Големия взрив Вселената беше пълна с енергия. Тъй като се разширяваше и охлаждаше, тази енергия трябваше да се преобразува в равни части материя и антиматериални субатомни частици, които трябва да се наблюдават днес. И все пак нашата Вселена се състои изцяло от материя. Как може да бъде?
Като преброиха броя на атомите във Вселената и сравниха това с количеството енергия, което виждаме, учените определиха, че "точно равно" не е съвсем правилно. Някак, когато Вселената беше около една десета от трилионната част от секундата, законите на природата се извиваха все така леко в посока на материята. На всеки 3 000 000 000 антиматериални частици имаше 3 000 000 001 материални частици. 3 милиарда материални частици и 3 милиарда частици антиматерия се комбинират - и унищожават обратно в енергия, оставяйки лекия излишък на материя, за да съставят вселената, която виждаме днес.
Тъй като този пъзел е разбран преди близо век, изследователите изучават материята и антиматерията, за да видят дали могат да намерят поведение в субатомни частици, които биха обяснили излишъка на материята. Те са уверени, че материята и антиматерията са направени в равни количества, но също така са забелязали, че клас субатомни частици, наречени кварки, проявяват поведение, което леко благоприятства материята пред антиматерията. Това конкретно измерване беше фино, включваше клас частици, наречени K мезони, които могат да се превърнат от материя в антиматерия и обратно. Но има малка разлика в преобразуването на материята в антиматерия в сравнение с обратната. Това явление беше неочаквано и неговото откриване доведе до Нобеловата награда за 1980 г., но големината на ефекта не беше достатъчна, за да обясни защо материята доминира в нашата Вселена.
Призрачни греди
По този начин учените са насочили вниманието си към неутрино, за да видят дали поведението им може да обясни излишната материя. Неутрино са призраците на субатомния свят. Взаимодействайки само със слабата ядрена сила, те могат да преминават през материята, без да взаимодействат почти изобщо. За да дадат усещане за мащаб, неутрино най-често се създават при ядрени реакции, а най-големият ядрен реактор наоколо е Слънцето. За да защитите себе си от половината от слънчевите неутрино, ще е необходима маса от твърдо олово с дълбочина около 5 светлинни години. Неутрино наистина не си взаимодействат много.
Между 1998 и 2001 г. серия от експерименти - един с помощта на детектора Super Kamiokande, а друг с помощта на SNO детектора в Съдбъри, Онтарио - доказа окончателно, че неутрино проявяват и друго изненадващо поведение. Те променят своята идентичност.
Физиците знаят за три отделни вида неутрино, всеки от които е свързан с уникален субатомни братя, наречени електрони, мюони и таус. Електроните са това, което причинява електричество, а частиците мюон и тау много приличат на електрони, но по-тежки и нестабилни.
Трите вида неутрино, наречени електронно неутрино, муонно неутрино и тау неутрино, могат да "преобразуват" в други видове неутрино и обратно. Това поведение се нарича неутрино трептене.
Неутринното трептене е уникално квантово явление, но е приблизително аналогично на това да започнете с купа ванилов сладолед и след като отидете и намерите лъжица, се връщате, за да откриете, че купата е половин ванилия и половин шоколад. Neutrinos променят своята идентичност от изцяло един тип, до смесване на типове, към напълно различен тип и след това обратно към първоначалния тип.
Антинейтрино трептения
Нейтрино са частици от материята, но съществуват и антиматериални неутрино, наречени антинейтрино. И това води до много важен въпрос. Неутрино осцилира, но антинеутрино също се колебаят и осцилират по същия начин като неутрино? Отговорът на първия въпрос е да, докато отговорът на втория не е известен.
Нека разгледаме това малко по-пълно, но по опростен начин: Да предположим, че имаше само два типа неутрино - мюон и електрон. Да предположим освен това, че сте имали лъч от чисто мюонни неутрино. Неутрино се колебаят с определена скорост и тъй като се движат близо до скоростта на светлината, те се колебаят като функция на разстояние от мястото, където са създадени. По този начин лъч от чисти мюонни неутрино ще изглежда като смесица от муонни и електронни типове на известно разстояние, след това чисто електронни типове на друго разстояние и след това обратно само към мюон. Антиматериалните неутрино правят същото.
Ако обаче материята и антиматерията неутрино се колебаят с малко по-различни темпове, бихте очаквали, че ако сте на фиксирано разстояние от точката, в която се създава лъч от чисти муонни неутрино или муонни антинейтрино, тогава в случая с неутрино ще видите една смес от муонни и електронни неутрино, но в случая с антиматерийно неутрино, бихте могли да видите различна смес от антиматерийна муонна и електронна неутрино. Реалната ситуация се усложнява от факта, че има три вида неутрино и трептенето зависи от енергията на лъча, но това са големите идеи.
Наблюдението на различни честоти на трептене от неутрино и антинейтрино би било важна стъпка към разбирането на факта, че Вселената е направена от материя. Не е цялата история, защото трябва да имат и допълнителни нови явления, но разликата между материя и антиматериални неутрино е необходима, за да се обясни защо във Вселената има повече материя.
В настоящата преобладаваща теория, описваща неутрино взаимодействията, има променлива, която е чувствителна към възможността неутрино и антинейтрино да се колебаят по различен начин. Ако тази променлива е нула, двата типа частици се колебаят с еднакви скорости; ако тази променлива се различава от нула, двата типа частици се колебаят по различен начин.
Когато T2K измерва тази променлива, те установяват, че тя е в несъответствие с хипотезата, че неутрино и антинейтрино се колебаят еднакво. Малко по-технически те определиха набор от възможни стойности за тази променлива. Има 95 процента вероятност истинската стойност за тази променлива да е в този диапазон и само 5 процента вероятността истинската променлива да е извън този диапазон. Хипотезата „без разлика“ е извън диапазона от 95 процента.
По-просто казано, настоящото измерване предполага, че неутрино и антиматериални неутрино се колебаят по различен начин, въпреки че сигурността не се повишава до нивото, за да се направи окончателно твърдение. Всъщност критиците посочват, че измерванията с това ниво на статистическа значимост трябва да се разглеждат много, много скептично. Но това със сигурност е изключително провокативен първоначален резултат и световната научна общност е изключително заинтересована да види подобрени и по-прецизни изследвания.
Експериментът T2K ще продължи да записва допълнителни данни с надеждата да направи окончателно измерване, но това не е единствената игра в града. Във Фермилаб, разположен извън Чикаго, подобен експеримент, наречен NOVA, стреля както неутрино, така и антиматериални неутрино към северната част на Минесота, надявайки се да победи Т2К до удара. И, гледайки повече към бъдещето, Фермилаб работи усилено върху това, какъв ще бъде водещият му експеримент, наречен DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), който ще има далеч по-добри възможности за изучаване на това важно явление.
Въпреки че резултатът от T2K не е окончателен и е гарантирано предпазливост, той със сигурност е мъчителен. Като се има предвид огромността на въпроса защо нашата Вселена изглежда няма значима антиматерия, световната научна общност с нетърпение ще очаква нови актуализации.
