Vědci se radují z objevování záhad a čím větší záhada, tím větší nadšení. Ve vědě je mnoho obrovských nezodpovězených otázek, ale když se chystáte velké, je těžké porazit: „Proč je něco, místo nic?“
Může to vypadat jako filosofická otázka, ale je to otázka, která je velmi vědecky přístupná. Trochu konkrétněji řečeno: „Proč je vesmír vyroben z takových látek, které umožňují lidský život, abychom si mohli položit tuto otázku?“ Vědci provádějící výzkum v Japonsku minulý měsíc oznámili měření, které přímo oslovuje nej fascinující dotazy. Zdá se, že jejich měření nesouhlasí s nejjednoduššími očekáváními současné teorie a mohlo by dobře směřovat k odpovědi na tuto nadčasovou otázku.
Zdá se, že jejich měření říká, že pro určitý soubor subatomických částic působí hmota a antihmota odlišně.
Matter v. Antihmota
Pomocí urychlovače J-PARC, který se nachází v japonském Tokai, vypálili vědci paprsek strašidelných subatomických částic nazývaných neutrinos a jejich protějšky antihmoty (antineutrinos) přes Zemi do experimentu Super Kamiokande, který se nachází v Kamioce, také v Japonsku. Tento experiment, nazvaný T2K (Tokai to Kamiokande), je navržen tak, aby určil, proč je náš vesmír vyroben z hmoty. Zvláštní chování, které projevují neutrinos, zvané neutrino oscilace, by mohlo osvětlit tento velmi znepokojivý problém.
Zeptat se, proč je vesmír tvořen hmotou, může znít jako zvláštní otázka, ale existuje velmi dobrý důvod, proč jsou vědci tímto překvapeni. Je to proto, že kromě toho, že vědí o existenci hmoty, znají vědci také antihmotu.
V roce 1928 navrhl britský fyzik Paul Dirac existenci antihmoty - protichůdného sourozence hmoty. Kombinujte stejná množství hmoty a antihmoty a oba se navzájem ničí, což vede k uvolnění obrovského množství energie. A protože fyzikální principy obvykle fungují stejně dobře obráceně, pokud máte obrovské množství energie, může se převést na přesně stejná množství hmoty a antihmoty. Antihmota byla objevena v roce 1932 americkým Carlem Andersonem a vědci měli téměř století na studium jeho vlastností.
Tato fráze „do přesně stejných množství“ je však jádrem hádanky. V krátkých okamžicích bezprostředně po Velkém třesku byl vesmír plný energie. Jak se rozšířila a ochladila, měla se tato energie přeměnit na stejné části hmoty a antihmoty subatomické částice, které by dnes měly být pozorovatelné. A přesto náš vesmír sestává v podstatě výhradně z hmoty. Jak to může být?
Počítáním počtu atomů ve vesmíru a jejich porovnáním s množstvím energie, které vidíme, vědci zjistili, že „přesně stejný“ není zcela v pořádku. Nějak, když byl vesmír asi desetina bilionty sekundy staré, přírodní zákony se sklonily ve směru hmoty vždy tak nepatrně. Na každých 3 000 000 000 částic antihmoty bylo 3 000 000 001 částic hmoty. Částice 3 miliard hmot a 3 miliardy antihmotových částic se spojily - a zničily se zpět do energie a zanechaly přebytečnou hmotu, aby vytvořily vesmír, který dnes vidíme.
Vzhledem k tomu, že tato hádanka byla pochopena téměř před stoletím, vědci studovali hmotu a antihmotu, aby zjistili, zda by nenašli chování v subatomických částicích, které by vysvětlovalo nadbytek hmoty. Jsou přesvědčeni, že hmota a antihmota jsou vyráběny ve stejných množstvích, ale také pozorovali, že třída subatomických částic zvaných kvarky projevuje chování, které mírně upřednostňuje hmotu před antihmotou. Toto konkrétní měření bylo jemné, zahrnovalo třídu částic zvanou K mesony, které se mohou přeměnit z hmoty na antihmotu a zpět. Ve srovnání s obráceným prostředím je však mírný rozdíl v přeměně hmoty na antihmotu. Tento jev byl neočekávaný a jeho objev vedl k Nobelově ceně za rok 1980, ale velikost účinku nestačila k vysvětlení, proč v našem vesmíru dominuje hmota.
Strašidelné paprsky
Vědci tak obrátili svou pozornost na neutrina, aby zjistili, zda jejich chování může vysvětlit nadměrnou hmotu. Neutrina jsou duchové subatomického světa. Interagují pouze prostřednictvím slabé jaderné síly a mohou procházet hmotou, aniž by interagovaly téměř vůbec. Abychom získali smysl pro měřítko, jsou neutrina nejčastěji vytvářena v jaderných reakcích a největším jaderným reaktorem kolem je Slunce. Chránit něčí sebe před polovinou solárních neutrin by vyžadovalo množství pevného olova asi 5 světelných let do hloubky. Neutrinos opravdu moc nereagují.
Mezi lety 1998 a 2001 se sérií experimentů - jeden pomocí detektoru Super Kamiokande a druhý pomocí detektoru SNO v Sudbury v Ontariu - definitivně prokázalo, že neutrinos také vykazují další překvapivé chování. Mění svou identitu.
Fyzici znají tři odlišné druhy neutrin, z nichž každý je spojen s jedinečným subatomickým sourozencem, který se nazývá elektrony, miony a taus. Elektrony způsobují elektřinu a částice mionu a tau jsou velmi podobné elektronům, ale těžší a nestabilní.
Tři druhy neutrin, nazývané elektronové neutrino, mionové neutrino a tau neutrino, se mohou „proměnit“ na jiné typy neutrin a zpět. Toto chování se nazývá neutrino oscilace.
Neutrino oscilace je jedinečně kvantový fenomén, ale je zhruba analogický tomu, jak začít s mísou vanilkové zmrzliny a poté, co jdete a najdete lžíci, vracíte se, abyste zjistili, že mísa je napůl vanilka a napůl čokoláda. Neutrina mění svou identitu z úplně jednoho typu, na směs typů, na úplně jiný typ, a pak zpět na původní typ.
Antineutrinové oscilace
Neutrina jsou částice hmoty, ale také existují antihmotová neutrina, nazývaná antineutrina. A to vede k velmi důležité otázce. Neutrinos oscilují, ale oscilují také antineutriny a oscilují přesně stejným způsobem jako neutrinos? Odpověď na první otázku zní ano, zatímco odpověď na druhou otázku není známa.
Uvažujme to trochu plněji, ale zjednodušeně: Předpokládejme, že existovaly pouze dva typy neutrin - mion a elektron. Předpokládejme dále, že jste měli paprsek čistě mionových neutrin. Neutrinos oscilují specifickou rychlostí a protože se pohybují blízko rychlosti světla, oscilují jako funkce vzdálenosti od místa, kde byly vytvořeny. Paprsek čistých mionových neutrin bude tedy vypadat jako směs typů mionu a elektronů v určité vzdálenosti, pak čistě elektronových typů v jiné vzdálenosti a pak zpět na pouze mion. Antihmota neutrinos dělají totéž.
Pokud však hmota a antihmota neutrinos oscilují mírně odlišnou rychlostí, očekáváte, že pokud jste byli v pevné vzdálenosti od bodu, ve kterém byl vytvořen paprsek čistých mionových neutrin nebo mionových antineutrin, pak v případě neutrinů byste viděli jedna směs mionových a elektronových neutrin, ale v případě antihmotového neutrina byste viděli jinou směs antihmotového mionu a elektronových neutrin. Skutečná situace je komplikována skutečností, že existují tři druhy neutrin a kmitání závisí na energii paprsku, ale to jsou velké myšlenky.
Pozorování různých kmitočtů oscilace neutriny a antineutriny by bylo důležitým krokem k pochopení skutečnosti, že vesmír je tvořen hmotou. Není to celý příběh, protože se musí držet i další nové jevy, ale rozdíl mezi hmotou a antihmotou je třeba vysvětlit, proč je ve vesmíru více hmoty.
V současné převládající teorii popisující interakce neutrinů existuje proměnná, která je citlivá na možnost, že neutrinos a antineutrinos oscilují odlišně. Pokud je tato proměnná nula, oscilují dva typy částic stejným tempem; pokud se tato proměnná liší od nuly, oscilují dva typy částic odlišně.
Když T2K změřil tuto proměnnou, zjistil, že je v rozporu s hypotézou, že neutrinos a antineutrinos oscilují stejně. Trochu technickyji určili rozsah možných hodnot pro tuto proměnnou. Existuje 95% šance, že skutečná hodnota této proměnné je v tomto rozmezí, a pouze 5% šance, že skutečná proměnná je mimo tento rozsah. Hypotéza „žádný rozdíl“ je mimo rozsah 95 procent.
Zjednodušeně řečeno, současné měření naznačuje, že neutrinos a antihmota neutrinos oscilují odlišně, i když jistota se nezvýší na úroveň, aby učinila definitivní tvrzení. Kritici ve skutečnosti poukazují na to, že měření s touto úrovní statistické významnosti by měla být vnímána velmi, velmi skepticky. Je to však určitě nesmírně provokativní počáteční výsledek a světová vědecká komunita má mimořádný zájem o lepší a přesnější studie.
Experiment T2K bude pokračovat v zaznamenávání dalších údajů v naději, že bude provedeno konečné měření, ale není to jediná hra ve městě. Ve Fermilabu, který se nachází mimo Chicago, podobný experiment s názvem NOVA střílí neutrina i antihmota neutrin na severní Minnesotu a doufá, že porazí T2K. A při pohledu více do budoucnosti Fermilab tvrdě pracuje na tom, jaký bude jeho stěžejní experiment, nazvaný DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), který bude mít mnohem lepší schopnosti studovat tento důležitý jev.
I když výsledek T2K není definitivní a je nutná opatrnost, je to určitě tantalizující. S ohledem na obrovskou otázku, proč se zdá, že náš vesmír nemá znatelný antihmota, bude světová vědecká komunita dychtivě čekat na další aktualizace.
