Kosmologi

Hvorfor er universet laget av materie og ikke antimateriale? Nytt eksperiment gir et fristende hint.

2024

Forskere som skyter nøytrinoer gjennom jorden kan har tatt et greit skritt mot å svare på et av de mest grunnleggende og skjerpende spørsmålene universet har kastet oss: Hvorfor er alt laget av materie og ikke antimateriale?

Du kjenner begrepet antimateriale . En stift av sci-fi, inkludert Star Trek , det er det samme som materie, men med en motsatt elektrisk ladning. Så et anti-elektron, kalt et positron, har alle nøyaktig de samme egenskapene som et elektron, men har en positiv elektrisk ladning i stedet for en negativ. Et antiproton er som et proton, men med en negativ ladning og så videre.

En annen morsom egenskap ved antimateriale er at hvis du tar en partikkel og dens antipartikkel og bringer dem sammen, bang. Big, big bang: De konverterer til ren energi. EN mye av energi. Hvis jeg møtte anti-Phil og vi bestemte oss for å danse, ville vi eksplodere med den samme energien som 3500 en-megaton atomvåpen .

Antimaterie er ikke ondt, men du vil ikke få det sammen med materie. Kreditt: Phil Plait

Og det er et problem (i tillegg til å ødelegge en rave). Du ser, i henhold til fysikklovene slik vi forstår dem, da universet var veldig ungt - bare noen få minutter gammelt - og temperaturen falt nok etter hvert som den utvidet seg , det burde ha skapt like store mengder materie og antimateriale.

Men hvis det var sant, ville hver partikkel møtt sin antipartikkel, og ka skyld . Det burde ikke være noen materie eller antimaterie i det hele tatt i kosmos. De ville alle ha blitt utslettet. Og likevel er vi her.

I virkeligheten var de to ikke like. For hver milliard eller så par mater/antimateriepartikler var det én materiellpartikkel igjen. Ikke mye, men nok til å gjøre rede for alle galakser, stjerner, planeter, mennesker og kopper Earl Grey -te vi ser i dag etter at alle de andre parene ble utslettet.

Men hvorfor? Hvorfor asymmetrien?

Det må være at våre lover for materie/antimateriesymmetri på en eller annen måte brytes, at antimaterie ikke er det nøyaktig liker materie på en eller annen måte. Men hva?

Forskere har lenge søkt etter denne asymmetrien . Den detaljerte fysikken er interessant - Det er en fantastisk forklaring på dette på DAEδALUS -eksperimentstedet - men du trenger ikke alt for å forstå den neste biten, som er hva forskere gjør for å finne den.

hvis jeg gir ham plass vil han komme tilbake

OK, la oss ta en sidetur her et øyeblikk. Det er en annen type subatomær partikkel som kalles en nøytrino. Den har mange rare egenskaper, som å være i stand til å passere gjennom mye vanlig materie som om den ikke er der; det bare interagerer ikke mye med materie. Litt liten, men ikke mye. De kommer også i tre forskjellige smaker, kalt muon, elektron og tau nøytrinoer. En slags nøytrino kan spontant forvandle seg til en annen art når den beveger seg gjennom rommet.

Og grunnen til at jeg nevner dem her er at når du går gjennom de utrolig komplekse ligningene som regulerer neutrinoer og deres antimaterieekvivalenter, finner du et hint om at de kanskje ikke oppfører seg det samme. Det kan faktisk være en asymmetri der, så det er der forskere har konsentrert seg.

Og her kommer vi til den veldig interessante delen: Forskere med T2K -samarbeidet nettopp annonsert de kan ha målt dette symmetribruddet hos nøytrinoer . Resultatene er ikke bunnsolid, men de er veldig interessante.

Eksperimentet innebærer å lage en stråle av muon-nøytrinoer og skyte den fra Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) gjennom den solide jorden 295 kilometer unna til Super-Kamiokande nøytrino-detektoren.

er ungdomsskolen de verste årene i livet mitt

De gjør dette ved å akselerere protoner til en prøve av karbon, som deretter spytter ut muon-nøytrinoer i en stråle som er rettet mot Super-Kamiokande. Når de kommer dit et millisekund senere (!!) vil svært få av disse nøytrinoene treffe et atom i de 50 000 tonn med suverent rent vann som er lagret i en tank og lag en muon, enda en type partikkel. De fleste nøytrinoer passerer imidlertid gjennom, og derfor har det tatt 20 år med å smelte karbon med protoner for å få noen resultater.

Men noen av dem endrer smak og blir elektron nøytrinoer på den korte tiden før de kommer til vanntanken. Når det skjer treffer de atomene i tanken og lager et elektron i stedet for en muon.

JPARC kan også lage muon anti nøytrinoer også. Det samme skjer: Noen lager muoner i tanken, og noen endrer seg til elektronantineutrinoer og lager elektroner.

Å finne antimateriale er enkelt hvis du kjenner ledetrådene du skal se etter. Kreditt: Shutterstock / Phil Plait

Hvis materie/antimaterie -symmetri holder, bør forholdet mellom muoner og elektroner generert av nøytrinoer være det samme som for antineutrinoer. Men det de fant er at forholdet ser ut til å være annerledes! Muon -nøytrinoer ser ut til å bli til elektronneutrinoer mer enn deres antimateriale -motparter gjør.

Veldig stort, hvis det er sant.

Skiller fysikkens lover mellom materie og antimateriale? Dette eksperimentet antyder at svaret er ja. Problemet er at det ikke er definitivt. Gullstandarden er at du statistisk sett har 99,7% tillit til et resultat (kalt 5-sigma-standarden). Dette resultatet har et lavt antall resultater, noe som gir en statistisk sikkerhet på 'bare' 95% (3 sigma). Det er veldig provoserende, men ikke konkret, og kan ikke kalles et funn ennå.

Åh, men det er det såååå fristende.

I de djevelske ligningene som styrer nøytrinoatferden som testes, er en parameter som kalles delta-CP; hvis det er en forskjell mellom materie og antimaterie, er det i det tallet. Det kan ta på seg mange verdier i teorien, men dette eksperimentet ser ut til å utelukke omtrent halvparten av dem i praksis. Det reduseres akkurat der forskere trenger å se i ligningene for å se hvordan universet oppfører seg, hvorfor det foretrekker materie fremfor antimateriale. Det trengs mye mer arbeid, men disse resultatene ser ut til i det minste å peke i en retning å gå, noe som er mer enn vi hadde før.

Og hei: Underveis for å forstå bare Hvorfor kosmos liker en slags partikkel fremfor en annen, kan vi finne ut hvordan å lage det ene fremfor det andre. Og hvem vet så hvor vi dristig kan gå?