In die baie vroeë heelal , kort na die Oerknal, het die ' materie ' en die 'antimaterie' albei in gelyke hoeveelhede bestaan. Om redes wat tot dusver onbekend is, oorheers die ' materie ' egter die huidige heelal . Die T2K-navorsers het onlangs die voorkoms van 'n moontlike Lading-Pariteit-oortreding in neutrino's en die ooreenstemmende anti-neutrino-ossillasies aangetoon. Dit is 'n stap vorentoe in die begrip van waarom materie die heelal oorheers.
Die Oerknal (wat ongeveer 13.8 miljard jaar gelede plaasgevind het) en ander verwante teorieë van fisika dui daarop dat die vroeë heelal straling 'dominant' was en dat die ' materie ' en die ' antimaterie ' in gelyke hoeveelhede bestaan het.
Maar die heelal wat ons vandag ken, is 'materie'-dominant. Hoekom? Dit is een van die mees fassinerende geheimenisse van die heelal . (1).
Die heelal wat ons vandag ken, het begin met gelyke hoeveelhede 'materie' en 'antimaterie'. Beide is in pare geskep soos die natuurwet vereis het, en is toe herhaaldelik vernietig, wat straling, bekend as die 'kosmiese agtergrondstraling', geproduseer het. Binne ongeveer 100 mikrosekondes na die Oerknal het die materie (deeltjies) op een of ander manier die antideeltjies met sê maar een uit elke miljard begin oortref, en binne sekondes is al die antimaterie vernietig, wat slegs materie agtergelaat het.
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 plaas te vind . Die eerste Sakharov-voorwaarde is die skending van die bariongetal (’n kwantumgetal wat behoue bly in 'n interaksie). Dit beteken dat protone uiters stadig verval het in ligter subatomiese deeltjies soos 'n neutrale pion en 'n positron. Net so het 'n antiproton verval in 'n pion en 'n elektron. Die tweede voorwaarde is die skending van ladingkonjugasie-simmetrie, C, en ladingkonjugasie-pariteitssimmetrie, CP, ook genoem Lading-Pariteit-skending. Die 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 paarannihilasie 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' nie, wat beide C- en P-simmetrieë skend'', 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 materie-skepping verkies sal word bo antimaterie-skepping". Nie-kwarkdeeltjies toon geen CP-skendings nie, terwyl die CP-skending in kwarke te klein en onbeduidend is om 'n verskil in materie- en antimaterie-skepping te hê. Dus word die CP-skending in leptone ( neutrino's ) belangrik en as dit bewys word, sal dit antwoord waarom die heelal materie-dominant is.
Alhoewel die oortreding van KP-simmetrie nog afdoende bewys moet word (1), toon die bevindinge wat onlangs deur die T2K-span gerapporteer is dat wetenskaplikes baie naby daaraan is. Dit is vir die eerste keer gedemonstreer dat die oorgang van deeltjie na elektron en neutrino bo die oorgang van antideeltjie na elektron en antineutrino verkies word, deur middel van 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-observatorium in Kamioka, Japan, wat ongeveer 300 km van mekaar geskei is. Die protonversneller by Tokai het die deeltjies en antideeltjies uit hoë-energie botsings gegenereer en detektors by Kamioka het die neutrinos en hul antimaterie-eweknieë, antineutrinos, waargeneem deur baie presiese metings te maak.
Na die analise van etlike jare se data by T2K, kon wetenskaplikes die parameter genaamd delta-CP meet, wat die CP-simmetrie-verbreking in neutrino-ossillasie beheer, en die wanverhouding of 'n voorkeur vir verbetering van die neutrino-tempo gevind wat uiteindelik kan lei tot die bevestiging van CP-skending in die manier waarop neutrino's en antineutrino's ossilleer. Die resultate wat deur die T2K-span gevind is, is beduidend teen statistiese beduidendheid van 3-sigma of 99.7%-vertrouensvlak. Dit is 'n mylpaalprestasie, aangesien bevestiging van CP-skending wat neutrino's betrek, gekoppel is aan die dominansie van materie in die heelal . Verdere eksperimente met 'n groter databasis sal toets of hierdie leptoniese CP-simmetrie-skending groter is as die CP-skending in kwarke. Indien wel, sal ons uiteindelik die antwoord hê op die vraag waarom die heelal materie-dominant is.
Alhoewel die T2K-eksperiment nie duidelik bevestig dat KP-simmetrie-skending plaasgevind het nie, is dit 'n mylpaal in die sin dat dit onomstootlik 'n sterk voorkeur vir verhoogde elektron-neutrontempo toon en ons nader bring aan die bewys van die voorkoms van KP-simmetrie-skending en uiteindelik aan die antwoord 'waarom die heelal materie-dominant is'.
***
Verwysings:
1. Universiteit van Tokio, 2020. ''T2K-resultate beperk moontlike waardes van neutrino-CP-fase -…..'' Persverklaring gepubliseer op 16 April 2020. Aanlyn beskikbaar by http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Toegang verkry op 17 April 2020.
2. Die T2K-samewerking, 2020. Beperking op die materie-antimaterie-simmetrie-oortredende fase in neutrino-ossillasies. Nature 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, Swaartekrag en Kosmologie, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
