Jednou z velkých otázek, které na našem vesmíru zbývají, je, proč je zde více hmoty než antihmota.
(Obrázek: © GiroScience / Shutterstock.com)
Můžeme být o krok blíže k prasknutí jedné z největších a nejzákladnějších záhad vesmíru.
Vědci se domnívají, že když se vesmír narodil téměř před 14 miliardami let, obsahoval stejné množství hmoty a jeho bizarní protějšek, antihmota. Částice antihmoty mají stejnou hmotnost jako jejich „normální“ bratranci, ale opačné elektrické náboje. Snad nejslavnější takové duo je elektron (normální, negativně nabitý) a pozitron (antihmota, pozitivně nabitý).
Když dojde ke kolizi částic hmoty a antihmoty, ničí se dokonalou účinností a přeměňují se na 100% čistou energii. (Tento praktický fakt je důvod, proč sci-fi spisovatelé milují uvedení motory antihmoty na jejich hvězdných lodích.)
A v tom spočívá tajemství: Kdyby existovalo stejné množství částic a antičástic při narození vesmíru, všechny by se měly navzájem najít a zničit, čímž by náš vesmír zůstal zcela bez sebe. Ale to se evidentně nestalo, jak jasně ukazuje vaše existence. Nakonec to byl nepatrný přebytek hmoty nad antihmotou - jenjedna částice na miliardu párů antihmoty hmoty.
Fyzici některé shromáždili stopy o tomto tajemství nadměrné hmoty v průběhu let. Například v šedesátých letech přišli na to, že kvarky a starožitnosti se nechovají úplně stejně. Toto porušení „symetrie parity-obrácení parity s obráceným nábojem“ nebo zkráceně symetrie CP však nebylo dost podstatné, aby bylo možné vysvětlit disparitu mezi hmotou a antihmotou.
Mohl by však být jen jiný typ porušení symetrie. Koneckonců, kvarky - stavební bloky protonů a neutronů - tam nejsou jediné subatomické částice. Mají příbuzné známé jako leptony, kategorii, která zahrnuje elektrony, miony, částice tau a neutrina. (Kvarky a leptony jsou zase fermiony, jedna ze dvou hlavních kategorií subatomových částic. Druhou kategorií jsou bosony, které obsahují částice nesoucí sílu, jako je foton, gluon, Higgsové a dosud nepotvrzená graviton.)
Nová studie tvrdě hledala známky porušení symetrie CP neutrinos a přišel s některými zajímavými výsledky. Data pocházejí převážně z projektu T2K, který generuje paprsky neutrin nebo antineutrin, v závislosti na experimentálním nastavení, ve výzkumném komplexu japonského protonového akcelerátoru ve městě Tokai.
Drtivá většina částic paprsku se přiblíží Zemi, stejně jako naše planeta tam není. (Neutrinos, přezdívaná „částice duchů“, jsou tak divně.) Ale několik z nich je označeno podzemním detektorem na observatoři Kamioka, 293 kilometrů od Tokai. Tento detektor je nádrž plná 55 000 tun (50 000 metrických tun) velmi čisté vody. Když neutrino interaguje s neutronem v nádrži, může vzniknout muon nebo elektron. Citlivé zařízení tyto sekundární částice zachytí.
Takové detekce obsahují spoustu informací. Například, když neutrina cestují, oscilují mezi třemi různými „příchutěmi“: elektronem, muonem a tau. (Ano, názvy příchutí jsou matoucí, vzhledem k tomu, že elektron, mion a tau jsou také monikery pro různé částice. Fyzika částic je však matoucí!) A typ aroma určuje, jaké sekundární částice vznikají při srážce s neutronem.
Spolupráce T2K analyzovala data shromážděná projektem od roku 2009 do roku 2018, jakož i pozorování z podobných experimentů. V nové studii, která byla dnes zveřejněna online (15. dubna) v EU časopis Naturevědci uvádějí, že našli důkazy, že neutrina a antineutrina oscilují různými způsoby.
„Výsledky vylučují zachování CP (tj. Naznačují, že došlo k porušení CP) na 95% úrovni spolehlivosti a ukazují, že parametr porušující CP bude pravděpodobně velký,“ fyzici Silvia Pascoli a Jessica Turner - z University of Durham v Anglii a americké ministerstvo energetiky Fermilab v Illinois, v uvedeném pořadí - napsal v doprovodném díle „News & Views“ ve stejném vydání časopisu Nature.
„Tyto výsledky by mohly být první známkou původu asymetrie hmoty a antihmoty v našem vesmíru,“ dodali Pascoli a Turner, kteří se do nového výzkumu nezapojili.
Abychom si to však vyjasnili: Výsledky samy o sobě nejsou přesvědčivým projevem porušení CP neutriny a antineutriny.
"Vidíme nějaké náznaky," řekl vedoucí studie Atsuko K. Ichikawa z kjótské univerzity v Japonsku e-mailem Space.com. "Současný výsledek je důležitým krokem k pozorování porušení CP."
Jejich další krok bude vyžadovat více dat, zdůraznil Ichikawa. Na této frontě je ale dobrá zpráva: Několik experimentů neutrina nové generace již funguje. Například japonský T2HK, který bude podobný, ale silnější než T2K, byl v únoru oficiálně greenlit, poznamenali Pascoli a Turner. A experiment Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), který bude používat paprsek u Fermilab a detektory tam a v Jižní Dakotě, je naplánován na uvedení do provozu v polovině 20. let.
T2HK a DUNE „poskytnou doplňkové techniky a měření“, napsal Pascoli a Turner. "Pravděpodobně nám poskytnou definitivní odpověď při hledání porušení CP v příštích 15 letech."
- 18 největších nevyřešených záhad ve fyzice
- Laserový experiment pomáhá rozmotat tajemství antihmoty
- První solidní znamení, že se hmota nechová jako antihmota
