Mokslininkai džiaugiasi tyrinėdami paslaptis, ir kuo didesnė paslaptis, tuo didesnis entuziazmas. Moksle yra daugybė neatsakytų klausimų, tačiau, kai tu eini didelis, sunku sumušti „Kodėl yra kažkas, o ne nieko?“
Tai gali atrodyti kaip filosofinis klausimas, tačiau jis yra labai tinkamas moksliniams tyrimams. Ištariau šiek tiek konkrečiau: „Kodėl visata yra pagaminta iš tų rūšių materijos, kuri leidžia žmogaus gyvenimui, kad mes netgi galime užduoti šį klausimą?“ Japonijoje mokslinius tyrimus atliekantys mokslininkai praėjusį mėnesį paskelbė matavimą, kuris tiesiogiai nukreipia į labiausiai jaudinančius tyrimus. Atrodo, kad jų vertinimas nesutampa su paprasčiausiais dabartinės teorijos lūkesčiais ir galėtų padėti atsakyti į šį nesenstantį klausimą.
Jų matavimas, atrodo, sako, kad tam tikram subatominių dalelių rinkiniui materija ir antimaterija veikia skirtingai.
Byla prieš Antimateriją
Naudodamiesi J-PARC greitintuvu, esančiu Tokijuje, Japonijoje, mokslininkai pro Žemę išmetė vaiduoklių subatominių dalelių, vadinamų neutrinomis, ir jų antimaterijos atitikmenų (antineutrinų) pluoštą į „Super Kamiokande“ eksperimentą, esantį Kamiokoje, taip pat Japonijoje. Šis eksperimentas, vadinamas T2K (Tokai to Kamiokande), yra skirtas nustatyti, kodėl mūsų visata sudaryta iš materijos. Savotiškas neutrinų elgesys, vadinamas neutrinų virpesiais, gali parodyti šiek tiek informacijos apie šią labai erzinančią problemą.
Klausimas, kodėl visata yra sudaryta iš materijos, gali atrodyti kaip savotiškas klausimas, tačiau yra labai svari priežastis, kodėl mokslininkai tuo nustebinti. Taip yra todėl, kad ne tik apie materijos egzistavimą, bet ir apie antimateriją.
1928 m. Britų fizikas Paulius Diracas pasiūlė antimaterijos egzistavimą - antagonistinį materijos seserį. Sumaišykite vienodus medžiagos ir antimaterijos kiekius ir abu sunaikinkite vienas kitą, todėl išleisite didžiulį energijos kiekį. Kadangi fizikos principai paprastai veikia vienodai gerai atvirkščiai, jei turite nepaprastą energijos kiekį, jis gali virsti lygiai tokiais pat kiekiais medžiagos ir antimaterijos. Antimateriją 1932 m. Atrado amerikietis Carlas Andersonas. Tyrėjai turėjo beveik šimtmetį tyrinėti jos savybes.
Tačiau ta frazė „į lygiai lygius kiekius“ yra apgaulės esmė. Trumpomis akimirkomis po Didžiojo sprogimo Visata buvo kupina energijos. Kai ji išsiplėtė ir atvėso, ta energija turėjo būti paversta lygiomis dalimis materijos ir antimedžiagos subatominių dalelių, kurios turėtų būti stebimos šiandien. Ir vis dėlto mūsų visata iš esmės susideda tik iš materijos. Kaip tai gali būti?
Suskaičiavę atomų skaičių visatoje ir palyginę jį su mūsų matytu energijos kiekiu, mokslininkai nustatė, kad „tiksliai lygus“ nėra visai teisinga. Kažkodėl, kai Visata buvo maždaug dešimtadalis trečdalio sekundės senumo, gamtos dėsniai vis tiek šiek tiek pasisukdavo materijos kryptimi. Kiekvienose 3 000 000 000 antimedžiagos dalelių buvo 3 000 000 001 materijos dalelių. 3 milijardai materijos dalelių ir 3 milijardai antimedžiagos dalelių sujungti - ir sunaikinti atgal į energiją, paliekant nedidelį materijos perteklių, kad sudarytų visatą, kurią matome šiandien.
Kadangi šis galvosūkis buvo suprastas beveik prieš šimtmetį, tyrėjai tyrinėjo materiją ir antimateriją, norėdami sužinoti, ar jie galėtų surasti subatominių dalelių elgesį, kuris paaiškintų materijos perteklių. Jie įsitikinę, kad materija ir antimedžiaga yra pagaminta vienodais kiekiais, tačiau jie taip pat pastebėjo, kad subatominių dalelių, vadinamų kvarkais, klasė turi elgesį, kuris šiek tiek palaiko materiją, palyginti su antimaterija. Tas konkretus matavimas buvo subtilus, įtraukiant dalelių klasę, vadinamą K mezonu, kuri gali virsti iš materijos į antimateriją ir vėl atgal. Medžiagos virsta antimaterija ir yra atvirkščiai. Šis reiškinys buvo netikėtas, o jo atradimas paskatino 1980 m. Nobelio premiją, tačiau šio efekto nepakanka norint paaiškinti, kodėl materija dominuoja mūsų visatoje.
Vaiduokliškos sijos
Taigi mokslininkai atkreipė dėmesį į neutrinus, norėdami išsiaiškinti, ar jų elgesys gali paaiškinti perteklinę materiją. Neutrinai yra subatominio pasaulio vaiduokliai. Sąveikaudami tik per silpną branduolinę jėgą, jie gali praeiti pro materiją beveik nieko neveikdami. Norėdami suteikti masto pojūtį, neutrinai dažniausiai susidaro vykstant branduolinėms reakcijoms, o didžiausias branduolinis reaktorius aplink yra Saulė. Norint apsaugoti save nuo pusės saulės neutrinų, reikia maždaug 5 šviesmečių gylio kieto švino masės. Neutrinai nelabai sąveikauja.
Nuo 1998 m. Iki 2001 m. Eksperimentų serija - viena naudojant „Super Kamiokande“ detektorių, o kita - naudojant SNO detektorių Sudburyje, Ontarijas, aiškiai įrodė, kad neutrinai taip pat demonstruoja kitą stebinantį elgesį. Jie keičia savo tapatybę.
Fizikai žino tris skirtingas neutrinų rūšis, kiekviena iš jų yra susijusi su unikaliu subatominiu broliu, vadinamu elektronu, muonu ir tausu. Elektronai sukelia elektrą, o muono ir tau dalelės yra labai panašios į elektronus, tačiau sunkesnės ir nestabilios.
Trijų rūšių neutrinai, vadinami elektronų neutrinu, muono neutrinu ir tau neutrinu, gali „sutelkti“ į kitų tipų neutrinus ir atgal. Toks elgesys vadinamas neutrininiu virpesiu.
Neutrino virpesiai yra unikalus kvantinis reiškinys, tačiau jis yra maždaug analogiškas pradžiam su dubeniu vanilinių ledų. Po to, kai nuvyksite ir surasite šaukštą, grįšite pamatę, kad dubenyje yra pusiau vanilės ir pusė šokolado. Neutrinai keičia savo tapatybę iš visiškai vieno tipo į tipų derinį į visiškai kitokį tipą, o paskui atgal į pradinį tipą.
Antineutrino virpesiai
Neutrinai yra materijos dalelės, tačiau egzistuoja ir antimateriniai neutrinai, vadinami antineutrinomis. Ir tai sukelia labai svarbų klausimą. Neutrinai virpa, bet ar antineutrinai taip pat virpa ir ar jie virpa lygiai taip pat, kaip ir neutrinai? Atsakymas į pirmąjį klausimą yra „taip“, o atsakymas į antrąjį nėra žinomas.
Panagrinėkime tai šiek tiek išsamiau, bet supaprastintai: Tarkime, kad buvo tik du neutrinų tipai - monas ir elektronas. Tarkime, kad jūsų spindulys buvo grynai muonų tipo neutrinų. Neutrinai svyruoja tam tikru greičiu ir, kadangi jie juda arti šviesos greičio, jie virpa kaip atstumo nuo to, kur jie buvo sukurti, funkcija. Taigi grynų mitonų neutrinų pluoštas tam tikru atstumu atrodys kaip miono ir elektronų tipų mišinys, tada grynai elektronų rūšys kitu atstumu ir tada tik su muonais. Antimateriniai neutrinai daro tą patį.
Tačiau jei materijos ir antimaterijos neutrinai kinta šiek tiek skirtingai, jūs galite tikėtis, kad jei buvote fiksuotas atstumas nuo taško, kuriame buvo sukurtas gryno mitono neutrinų arba muono antineutrinų pluoštas, tada neutrinų atveju vieną miono ir elektronų neutrinų mišinį, tačiau antimikrobiniame neutrinų atveju pamatytumėte kitokį antimonetinių mitonų ir elektronų neutrinų mišinį. Faktinę situaciją apsunkina tai, kad yra trijų rūšių neutrinai ir virpesiai priklauso nuo pluošto energijos, tačiau tai yra didžiosios idėjos.
Skirtingų neutrinų ir antineutrinų virpesių dažnių stebėjimas būtų svarbus žingsnis siekiant suprasti faktą, kad visata sudaryta iš materijos. Tai nėra visa istorija, nes turi būti ir papildomų naujų reiškinių, tačiau skirtumas tarp materijos ir antimedžiagos neutrinų yra būtinas norint paaiškinti, kodėl visatoje yra daugiau materijos.
Dabartinėje vyraujančioje teorijoje, apibūdinančioje neutrinų sąveiką, yra kintamasis, jautrus galimybei, kad neutrinai ir antineutrinai svyruoja skirtingai. Jei tas kintamasis lygus nuliui, dviejų rūšių dalelės virpa vienodais greičiais; jei tas kintamasis skiriasi nuo nulio, du dalelių tipai svyruoja skirtingai.
Kai T2K išmatavo šį kintamąjį, jie nustatė, kad jis neatitinka hipotezės, kad neutrinai ir antineutrinai svyruoja vienodai. Šiek tiek techniškiau jie nustatė šio kintamojo galimų verčių diapazoną. Yra 95 procentų tikimybė, kad tikroji to kintamojo vertė yra tame intervale, ir tik 5 procentai tikimybės, kad tikrasis kintamasis yra to diapazono ribose. Hipotezė „jokio skirtumo“ yra už 95 procentų ribų.
Kalbant paprasčiau, dabartinis matavimas rodo, kad neutrinai ir antimedžiagos neutrinai svyruoja skirtingai, nors tikrumas nepakyla iki lygio, kad būtų galima pateikti galutinį teiginį. Tiesą sakant, kritikai pabrėžia, kad į tokio statistinio reikšmingumo lygio matavimus reikia žiūrėti labai, labai skeptiškai. Bet tai tikrai nepaprastai provokuojantis pradinis rezultatas, o pasaulio mokslo bendruomenė yra nepaprastai suinteresuota pamatyti patobulintus ir tikslesnius tyrimus.
„T2K“ eksperimentas ir toliau kaups papildomus duomenis tikėdamasis atlikti galutinį matavimą, tačiau tai nėra vienintelis žaidimas mieste. Fermilab'e, esančiame už Čikagos, panašus eksperimentas, pavadintas NOVA, šaudo tiek neutrinus, tiek antimaterinius neutrinus į šiaurinę Minesotos dalį, tikėdamasis įveikti T2K į perforatorių. Žvelgdamas daugiau į ateitį, „Fermilab“ daug dirba prie to, kas bus pavyzdinis eksperimentas, pavadintas DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), kuris turės žymiai pranašesnes galimybes ištirti šį svarbų reiškinį.
Nors T2K rezultatas nėra tikslus ir reikia atsargumo, jis tikrai varginantis. Atsižvelgiant į klausimo, kodėl mūsų visatoje nėra pastebimo antimedžiagos, sudėtingumą, pasaulio mokslo bendruomenė labai laukia tolesnių atnaujinimų.
