In die baie vroeë heelal, kort na die oerknal, die 'saak' en die 'antimaterie' het albei in gelyke hoeveelheid bestaan. Om die redes wat tot dusver onbekend is, is die 'saak' oorheers die hede heelal. Die T2K-navorsers het onlangs die voorkoms van 'n moontlike Charge-Parity-oortreding in neutrino en die ooreenstemmende anti-neutrino-ossillasies getoon. Dit is 'n stap vorentoe om te verstaan hoekom saak oorheers die heelal.
Die Oerknal (wat ongeveer 13.8 miljard jaar gelede plaasgevind het) en ander verwante teorieë van fisika dui daarop dat die vroeë heelal was straling 'dominant' en die 'saak'en die'antimaterie' in gelyke hoeveelheid bestaan het.
Maar die heelal wat ons vandag weet is 'materie' dominant. Hoekom? Dit is een van die mees intrigerende raaisels van heelal. (1).
Die heelal wat ons vandag weet, het begin met gelyke hoeveelhede 'materie' en 'antimaterie', beide is in pare geskep soos die natuurwet dit sou vereis en het toe herhaaldelik vernietig en straling voortgebring wat bekend staan as die 'kosmiese agtergrondstraling'. Binne ongeveer 100 mikrosekondes van die Oerknal het die materie (deeltjies) op een of ander manier die teendeeltjie met sê een uit elke biljoen begin oorskry en binne sekondes is al die antimaterie vernietig, en net materie agtergelaat.
Wat is die proses of meganisme wat hierdie soort verskil of asimmetrie tussen die materie en antimaterie sou skep?
In 1967 het die Russiese teoretiese fisikus Andrei Sakharov drie voorwaardes gepostuleer wat nodig is vir 'n wanbalans (of produksie van materie en antimaterie teen verskillende tempo's) om in die heelal. Eerste Sacharov-toestand is die bariongetal ('n kwantumgetal wat in 'n interaksie bewaar bly) oortreding. Dit beteken dat protone uiters stadig verval het tot ligter subatomiese deeltjies soos 'n neutrale pion en 'n positron. Net so het 'n antiproton in 'n pion en 'n elektron verval. Tweede voorwaarde is die oortreding van ladingsvervoegingsimmetrie, C, en ladingvervoegings-pariteitsimmetrie, CP ook genoem Charge-pariteitsoortreding. Derde voorwaarde is dat die proses wat barion-asimmetrie genereer nie in termiese ewewig moet wees nie as gevolg van vinnige uitbreiding wat die voorkoms van paar-uitwissing verminder.
Dit is die Sacharov se tweede kriterium van CP-oortreding, wat 'n voorbeeld is van 'n soort asimmetrie tussen deeltjies en hul teendeeltjies wat die manier waarop hulle verval beskryf. Deur die manier waarop deeltjies en antideeltjies optree te vergelyk, dit wil sê die manier waarop hulle beweeg, interaksie en verval, kan wetenskaplikes bewyse van daardie asimmetrie vind. Die CP-oortreding verskaf 'n bewys dat sommige onbekende fisiese prosesse verantwoordelik is vir die differensiële produksie van materie en antimaterie.
Die elektromagnetiese en 'sterk interaksies' is bekend as simmetries onder C en P, en gevolglik is hulle ook simmetries onder die produk CP (3). '' Dit is egter nie noodwendig die geval vir die 'swak interaksie', wat beide C- en P-simmetrieë oortree nie'' sê prof. BA Robson. Hy sê verder dat “die skending van CP in swak interaksies impliseer dat sulke fisiese prosesse kan lei tot indirekte skending van bariongetal sodat materieskepping bo antimaterieskepping verkies sal word''. Nie-kwark-deeltjies toon geen CP-oortredings nie, terwyl die CP-oortreding in kwarke te klein is en onbeduidend is om 'n verskil in materie- en antimaterieskepping te hê. Dus, die CP-oortreding in leptone (neutrino) belangrik word en as dit bewys word dan sal dit antwoord hoekom die heelal is materie dominant.
Alhoewel CP-simmetrie-oortreding nog afdoende bewys moet word (1), maar die bevindinge wat onlangs deur die T2K-span gerapporteer is, toon dat wetenskaplikes baie naby daaraan is. Dit is vir die eerste keer gedemonstreer dat die oorgang van deeltjie na elektron en neutrino bevoordeel word bo die oorgang van antideeltjie na elektron en antineutrino, deur hoogs gesofistikeerde eksperimente by T2K (Tokai na Kamioka) (2). T2K verwys na 'n paar laboratoriums, die Japanese Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) in Tokai en die Super-Kamiokande ondergrondse neutrino-sterrewag in die Kamioka, Japan, geskei deur ongeveer 300 km. Die protonversneller by Tokai het die deeltjies en teendeeltjies van hoë-energie botsings gegenereer en detektors by Kamioka het die neutrino's en hul antimaterie-eweknieë, antineutrino's, waargeneem deur baie presiese metings te maak.
Na die ontleding van etlike jare se data by T2K, kon wetenskaplikes die parameter genaamd delta-CP meet, wat die CP-simmetrie wat in neutrino-ossillasie breek, bepaal en die wanverhouding of 'n voorkeur vir verbetering van die neutrinotempo gevind wat uiteindelik kan lei tot die bevestiging van CP-oortreding in die manier waarop neutrino's en antineutrino's geossilleer het. Die resultate wat deur die T2K-span gevind is, is betekenisvol by statistiese betekenisvolheid van 3-sigma of 99.7% vertrouensvlak. Dit is 'n mylpaalprestasie aangesien bevestiging van CP-oortreding wat neutrino's behels, gekoppel word aan die oorheersing van materie in die heelal. Verdere eksperimente met groter databasis sal toets of hierdie leptoniese CP-simmetrie-oortreding groter is as CP-oortreding by kwarks. As dit so is, sal ons uiteindelik die antwoord hê op die vraag Hoekom die heelal is materie dominant.
Alhoewel die T2K-eksperiment nie duidelik vasstel dat CP-simmetrie-oortreding plaasgevind het nie, maar dit is 'n mylpaal in die sin dat dit beslis 'n sterk voorkeur toon vir verbeterde elektronneutrontempo en ons nader neem om die voorkoms van CP-simmetrie-oortreding te bewys en uiteindelik aan die antwoord 'waarom die heelal is materie dominant'.
***
Verwysings:
1. Tokyo Universiteit, 2020. ''T2K-resultate beperk moontlike waardes van Neutrino CP-fase -…..'' Persverklaring Gepubliseer 16 April 2020. Aanlyn beskikbaar by http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Toegang op 17 April 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. Beperking op die materie-antimaterie-simmetrie-skendende fase in neutrino-ossillasies. Natuur volume 580, bladsye 339–344(2020). Gepubliseer: 15 April 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Die Materie-Antimaterie Asimmetrie Probleem. Tydskrif vir Hoë Energie Fisika, Gravitasie en Kosmologie, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
