Вчені захоплюються вивченням таємниць, і чим більша таємниця, тим більший ентузіазм. У науці багато величезних питань без відповіді, але коли ти йдеш великим, важко перемогти "Чому щось, а не щось?"
Це може здатися філософським питанням, але це дуже піддається науковому дослідженню. Трохи конкретніше зазначив: "Чому Всесвіт створений з матерії, яка робить можливим життя людини, щоб ми могли навіть задати це питання?" Вчені, що проводять дослідження в Японії, оголосили промір у минулому місяці, який безпосередньо стосується найбільш захоплюючих запитів. Схоже, їх вимірювання не погоджується з найпростішими очікуваннями сучасної теорії і цілком може вказувати на відповідь на це позачасове питання.
Їх вимірювання, схоже, говорить про те, що для певного набору субатомних частинок речовина і антиматерія діють по-різному.
Матерія проти антиматерії
Використовуючи прискорювач J-PARC, розташований в Токаї, Японія, вчені випустили промінь примарних субатомних частинок під назвою нейтрино та їх антиматеріальних аналогів (антинейтрино) через Землю до експерименту Супер Каміоканде, розташованого в Каміоці, також в Японії. Цей експеримент під назвою T2K (Токай до Каміоканде) призначений для визначення того, чому наш Всесвіт складається з матерії. Своєрідна поведінка, яку проявляють нейтрино, називається нейтрино коливаннями, може пролити трохи світла на цю неприємну проблему.
Питання, чому Всесвіт складається з матерії, може звучати як своєрідне запитання, але є дуже вагома причина, що вчені цим здивовані. Це тому, що, крім того, що знають про існування речовини, вчені знають і про антиматерію.
У 1928 році британський фізик Пол Дірак запропонував існування антиматерії - антагоністичного побратима речовини. Поєднайте рівну кількість речовини та антиматерії та дві знищують одна одну, в результаті чого вивільняється величезна кількість енергії. А оскільки принципи фізики зазвичай однаково добре працюють у зворотному напрямку, якщо у вас є величезна кількість енергії, вона може перетворитись в рівномірну кількість речовини та антиматерії. Антиматерію було відкрито в 1932 році американцем Карлом Андерсоном, і дослідникам було майже століття, щоб вивчити її властивості.
Однак ця фраза «в абсолютно рівній кількості» - це суть головоломки. У короткі хвилини одразу після Великого вибуху всесвіт був сповнений енергії. Коли вона розширювалася і охолоджувалась, ця енергія повинна перетворитись на рівні частини речовини і антиматеріальні субатомні частинки, які слід спостерігати сьогодні. І все ж наш Всесвіт складається по суті повністю з матерії. Як це може бути?
Підраховуючи кількість атомів у Всесвіті і порівнюючи це з кількістю енергії, яку ми бачимо, вчені визначили, що "абсолютно рівно" не зовсім правильно. Так чи інакше, коли Всесвіт становив приблизно десяту частину трильйони секунди старої, закони природи все-таки трохи перекошувались у напрямку матерії. На кожні 3 000 000 000 частинок антиматерії було 3 000 000 000 частинок речовини. 3 мільярди частинок речовини та 3 мільярди частинок антиматерії об'єдналися - і знищили назад в енергію, залишаючи невеликий надлишок речовини для складання Всесвіту, який ми бачимо сьогодні.
Оскільки ця головоломка була зрозуміла майже століття тому, дослідники вивчали речовину та антиматерію, щоб побачити, чи зможуть вони виявити поведінку в субатомних частинках, які пояснювали б надлишок речовини. Вони впевнені, що матерія та антиматерия виробляються в рівній кількості, але вони також помітили, що клас субатомних частинок, званих кварками, проявляє поведінку, яка трохи сприяє матерії перед антиматерою. Це конкретне вимірювання було тонким, включаючи клас частинок, званих K мезонами, які можуть перетворюватися з речовини в антиматерію і назад. Але є незначна різниця в перетворенні речовини на антиматерію порівняно із зворотним. Це явище було несподіваним, і його відкриття призвело до Нобелівської премії 1980 р., Але масштабності ефекту було недостатньо, щоб пояснити, чому матерія домінує у нашому Всесвіті.
Примарні промені
Таким чином, вчені звернули свою увагу на нейтрино, щоб побачити, чи може їх поведінка пояснити зайву речовину. Нейтрино - привиди субатомного світу. Взаємодіючи лише слабкою ядерною силою, вони можуть проходити через матерію, майже не взаємодіючи взагалі. Щоб дати відчуття масштабу, нейтрино найчастіше створюється в ядерних реакціях, а найбільший ядерний реактор навколо - Сонце. Щоб захистити себе від половини сонячних нейтрино, знадобиться маса твердого свинцю глибиною близько 5 світлових років. Нейтрино насправді не дуже взаємодіє.
У період з 1998 по 2001 р. Ряд експериментів - один із використанням детектора Супер Каміоканде, а інший із використанням детектора СНО у Судбері, Онтаріо, - остаточно довів, що нейтрино також проявляє ще одну дивовижну поведінку. Вони змінюють свою ідентичність.
Фізикам відомо три різних види нейтрино, кожен з яких асоціюється з унікальним субатомним побратимом, званим електронами, мюонами і таусами. Електрони - це те, що викликає електрику, а частинки мюона і тау дуже схожі на електрони, але важчі і нестабільні.
Три види нейтрино, які називаються електронними нейтрино, мюонними нейтрино і тау-нейтрино, можуть "перетворитись" на інші типи нейтрино і повернутися знову. Така поведінка називається коливанням нейтрино.
Коливання нейтрино - це унікально квантове явище, але це приблизно аналогічно тому, як почати з чаші ванільного морозива, і після того, як підеш і знайдеш ложку, ти повернешся назад і виявиш, що чаша - це половина ванілі та половина шоколаду. Нейтрино змінюють свою ідентичність з абсолютно одного типу, до поєднання типів, до зовсім іншого типу, а потім повертаються до початкового типу.
Антинейтринні коливання
Нейтрино є частинками речовини, але існують і антиматеріальні нейтрино, звані антинейтрино. І це призводить до дуже важливого питання. Нейтрино коливається, але чи антинейтрино також коливається і вони коливаються точно так само, як нейтрино? Відповідь на перше питання - так, тоді як відповідь на друге не відома.
Розглянемо це трохи повніше, але спрощеним чином: Припустимо, існувало лише два типи нейтрино - мюон і електрон. Припустимо, що у вас був пучок нейтрино типу мюона. Нейтрино коливаються з певною швидкістю, і, оскільки вони рухаються поблизу швидкості світла, вони коливаються як функція відстані від місця, де вони були створені. Таким чином, пучок чистих мюонних нейтрино буде виглядати як суміш мюонних та електронних типів на деякій відстані, потім чисто електронних типів на іншій відстані, а потім повертається лише до мюонних. Антиматерні нейтрино роблять те саме.
Однак якщо речовина та антиматеріальні нейтрино коливаються з дещо різними темпами, ви б очікували, що якби ви були на певній відстані від точки, в якій був створений пучок чистих мюонних нейтрино або мюонних антинейтрино, то у випадку з нейтрино ви побачите одна суміш мюонних та електронних нейтрино, але у випадку антиматерного нейтрино ви бачите інше поєднання антимонопольного мюона та електронних нейтрино. Фактична ситуація ускладнюється тим, що існує три види нейтрино і коливання залежить від енергії пучка, але це великі ідеї.
Спостереження за різними частотами коливань нейтрино та антинейтрино було б важливим кроком до розуміння факту, що Всесвіт складається з матерії. Це не вся історія, тому що додаткові нові явища також повинні мати місце, але різниця між речовиною та антиматеріальними нейтрино необхідна для пояснення, чому у Всесвіті більше речовини.
У сучасній теорії, що описує взаємодію з нейтрино, існує змінна, яка чутлива до того, що нейтрино та антинейтрино коливаються по-різному. Якщо ця змінна дорівнює нулю, два типи частинок коливаються з однаковою швидкістю; якщо ця змінна відрізняється від нуля, два типи частинок коливаються по-різному.
Коли T2K виміряв цю змінну, вони виявили, що вона не відповідає гіпотезі про те, що нейтрино та антинейтрино коливаються однаково. Трохи технічніше вони визначили діапазон можливих значень для цієї змінної. Існує 95-відсотковий шанс, що справжнє значення для цієї змінної знаходиться в межах цього діапазону, і лише 5-відсотковий шанс, що справжня змінна знаходиться поза цим діапазоном. Гіпотеза "без різниці" знаходиться поза межами 95 відсотків.
Простіше кажучи, сучасне вимірювання говорить про те, що нейтрино та антиматеріальні нейтрино коливаються по-різному, хоча визначеність не піднімається до рівня, щоб зробити остаточне твердження. Насправді критики зазначають, що на вимірювання з таким рівнем статистичної значущості слід дивитися дуже, дуже скептично. Але це, безумовно, надзвичайно провокуючий початковий результат, і світове наукове співтовариство надзвичайно зацікавлене у вдосконаленні та точніших дослідженнях.
Експеримент T2K продовжить записувати додаткові дані, сподіваючись зробити остаточне вимірювання, але це не єдина гра в місті. У Фермілабі, що знаходиться за межами Чикаго, аналогічний експеримент під назвою NOVA стріляє як нейтрино, так і антиматеріальні нейтрино на північ Міннесоти, сподіваючись побити Т2К до удару. І, дивлячись більше на майбутнє, Фермілаб наполегливо працює над тим, яким буде її флагманський експеримент під назвою DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), який матиме набагато кращі можливості для вивчення цього важливого явища.
Хоча результат T2K не є остаточним і обережність є виправданою, це, безумовно, мучить. З огляду на грандіозність питання, чому, здається, у нашому Всесвіті немає помітної антиматерії, всесвітнє наукове співтовариство з готовністю чекає подальших оновлень.
