A tudósok szívesen kutatják a rejtélyeket, és minél nagyobb a rejtély, annál nagyobb a lelkesedés. Sok hatalmas, megválaszolatlan kérdés van a tudományban, de ha nagy leszel, nehéz megverni: "Miért van valami ahelyett, hogy valami?"
Ez filozófiai kérdésnek tűnhet, de ez nagyon alkalmas a tudományos kutatásokra. Kissé konkrétabban fogalmazva: "Miért készült az univerzum olyan anyagból, amely lehetővé teszi az emberi életet, hogy ezt a kérdést akár fel is tegyük?" A Japánban kutatásokat végző tudósok a múlt hónapban bejelentették a mérést, amely közvetlenül a legérdekesebb kérdéseket célozza meg. Úgy tűnik, hogy mérése nem egyezik meg a jelenlegi elmélet legegyszerűbb elvárásaival, és arra mutathat, hogy válaszol erre az időtlen kérdésre.
Mérésük úgy tűnik, hogy azt mondják, hogy egy adott szubatomi részecskék esetében az anyag és az antianyag eltérően viselkednek.
Matter v. Antimatter
A J-PARC gyorsító segítségével, amely a japán Tokaiban található, a tudósok szellemileg szubatomi részecskéknek nevezték el a neutrínókat és antianyag-társaikat (antineutrinók) a Földön keresztül a japán Kamioka-ban található Super Kamiokande kísérlethez. Ezt a T2K (Tokai-tól Kamiokande-nak) nevezett kísérlet célja annak meghatározása, hogy mi az univerzum miért készül az anyagból. A neutrinók által mutatott sajátos viselkedés, amelyet neutrino rezgésnek neveznek, felvilágosíthatná ezt a nagyon bosszantó problémát.
Különleges kérdés lehet az a kérdés, hogy miért készül az univerzum az anyagból, de nagyon jó ok van arra, hogy a tudósok meglepődnek. Ennek oka az, hogy amellett, hogy tudják az anyag létezését, a tudósok is tudnak az antianyagról.
1928-ban Paul Dirac brit fizikus javasolta az antianyag létezését - az anyag antagonista testvére. Kombinálja az azonos mennyiségű anyagot és az antianyagot, és a kettő megsemmisíti egymást, így hatalmas mennyiségű energia szabadul fel. És mivel a fizika alapelvei általában ugyanolyan jól működnek, fordítva, ha hatalmas mennyiségű energiád van, akkor az pontosan azonos mennyiségű anyaggá és antianyaggá alakulhat. Az antianyagot 1932-ben fedezte fel az amerikai Carl Anderson, és a kutatók majdnem egy évszázaddal megkísérelték tanulmányozni annak tulajdonságait.
Ugyanakkor ez a "pontosan azonos mennyiségben" kifejezés a holtpont lényege. Rövid pillanatokban, közvetlenül a nagy robbanás után, az univerzum tele volt energiával. Ahogy kibővült és lehűlt, az energiának egyenlő részekké kellett lennie az anyag és az antianyag szubatomi részecskékké alakulva, amelyeknek ma megfigyelhetőnek kell lenniük. És mégis, univerzumunk alapvetően teljes egészében az anyagból áll. Hogy lehetséges?
Az univerzum atomszámának számításával és az általunk látott energiamennyiség összehasonlításával a tudósok megállapították, hogy a "pontosan egyenlő" nem igaz. Valahogy, amikor az univerzum körülbelül egyharmadának egy harmada másodperc volt, a természet törvényei egyre-kissé az anyag irányába fordultak el. Minden 3 000 000 000 antianyag részecskén 3 000 000 001 anyag részecske volt. A 3 milliárd anyag részecske és a 3 milliárd antianyag részecske kombinálódott - és energiává megsemmisülve maradt, és enyhe anyagtöbbletet hagyva alkotja a mai világegyetemet.
Mivel ezt a rejtvényt majdnem egy évszázaddal ezelőtt megértették, a kutatók az anyagot és az antianyagot tanulmányozták, hogy meg tudják találni a szubatomi részecskékben olyan viselkedést, amely magyarázza az anyag feleslegét. Biztosak abban, hogy az anyag és az antianyag egyenlő mennyiségben készülnek, de megfigyelték azt is, hogy a kvarkoknak nevezett szubatomi részecskék olyan viselkedést mutatnak, amely enyhén előnyben részesíti az anyagot az antimaterialismal szemben. Ez a konkrét mérés finom volt, a K-mezonoknak nevezett részecskék osztályába tartozik, amelyek az anyagból anyaggá alakulhatnak antimatrikussá és vissza. De van egy kis különbség az anyag átalakulásában antianyaghoz, szemben a fordított értékkel. Ez a jelenség váratlan volt, és felfedezése az 1980-as Nobel-díjhoz vezetett, ám a hatás nagysága nem volt elegendő annak magyarázatához, hogy miért uralkodik az anyag az univerzumunkban.
Kísérteties gerendák
Így a tudósok a neutrinoszkópokra fordították figyelmüket, hogy kiderítsék, viselkedésük magyarázza-e a felesleges anyagot. A neutrinók a szubatómiai világ szellemei. Csak a gyenge nukleáris erő révén kölcsönhatásba lépve képesek átjutni az anyagon anélkül, hogy szinte egyáltalán kölcsönhatásba lépnének. A méretarány érzékeltetése érdekében a neutrinókat leggyakrabban az atomreakciókban hozzák létre, és a legnagyobb atomreaktor körül a Nap. Ahhoz, hogy megvédjük önmagukat a napenergián neutronok felétől, körülbelül 5 fényév mélyre van szükség szilárd ólom tömegére. A neutronok valójában nem nagyon kölcsönhatásba lépnek egymással.
1998 és 2001 között egy kísérleti sorozat - az egyik a Super Kamiokande detektorral, a másik az SNO detektorral Sudbury-ben (Ontario) - egyértelműen bizonyította, hogy a neutrinok szintén meglepő viselkedést mutatnak. Megváltoztatják személyazonosságukat.
A fizikusok három különféle típusú neutrinocsoportot ismernek, amelyek mindegyike egyedi szubatómiai testvérrel van társítva, elektronoknak, muonoknak és tausoknak nevezik őket. Az elektronok okozzák az elektromosságot, a muonok és a tau részecskék nagyon hasonlóak az elektronokhoz, de nehezebbek és instabilabbak.
A háromféle neutrinó, amelyet elektronneutrínónak, muonneutrinonak és tau neutrinónak neveznek, "morph" -vá válhat más típusú neutrinókba és vissza. Ezt a viselkedést neutrinos rezgésnek nevezik.
A neutrino rezgés egyedülálló módon kvantum jelenség, de nagyjából analóg azzal, ha egy tál vanília fagylalttal kezdjük, és miután meglátogatott egy kanalat, visszajött, hogy a tál fele vanília és fél csokoládé. A neutronok identitását teljesen egy típusnak, típusok keverékének, egy teljesen más típusnak változtatják, majd vissza az eredeti típushoz.
Antineutrino rezgések
A neutrinók anyagrészecskék, de antianyag-neutrinók, úgynevezett antineutrinók is léteznek. És ez egy nagyon fontos kérdéshez vezet. A neutronok oszcillálnak, de az antineutrinók szintén oszcillálnak, és pontosan ugyanolyan módon oszcillálnak, mint a neutrinók? Az első kérdésre igennel kell válaszolni, míg a másodikra nem tudunk választ.
Fontoljuk meg egy kicsit teljesebben, de egyszerûbben: Tegyük fel, hogy csak két neutrinótípus létezett - müon és elektron. Tegyük fel, hogy tisztán muon típusú neutrínókból álló sugár volt. A neutronok meghatározott sebességgel oszcillálnak, és mivel a fénysebesség közelében mozognak, a keletkezésük távolságának függvényében oszcillálnak. Így a tiszta muonneutronos sugarak úgy fognak kinézni, hogy bizonyos távolságra a muonok és az elektron típusok keverékei állnak, majd a távolság tisztán az elektron típusai, majd csak a muonokhoz vezetnek vissza. Az antisztatikus neutrinók ugyanazt csinálják.
Ha azonban az anyag és az antianyag-neutrinók kissé eltérő sebességgel oszkálnak, akkor számíthat arra, hogy ha rögzített távolságban lennél attól a ponttól, amelyen tiszta muonneutronos vagy muon-antineutrinos sugár keletkezett, akkor a neutrinó esetén egy keverék a muonok és az elektronneutronok közül, de az antianyag-neutrinó esetén más keveréket láthatnánk az antimon anyagú elektronok és az elektronneutrinók keverékében. A jelenlegi helyzetet bonyolítja az a tény, hogy háromféle neutrinó létezik, és az oszcilláció a sugár energiájától függ, de ezek a nagy ötletek.
A különféle rezgési frekvenciák megfigyelése neutrínók és antineutrinók által fontos lépés lenne annak megértése felé, hogy az univerzum anyagból készül. Ez nem a teljes történet, mert további új jelenségeknek is fenn kell tartaniuk, de az anyag és az antianyag neutrinosok közötti különbségre szükség van annak magyarázatához, hogy miért van több anyag az univerzumban.
A jelenlegi, a neutrino interakciókat leíró elméletben létezik egy olyan változó, amely érzékeny annak a lehetőségére, hogy a neutrinók és az antineutrinók eltérően oszcillálnak. Ha ez a változó nulla, akkor a két típusú részecske azonos sebességgel oszcillál; ha ez a változó eltér nullától, akkor a két részecsketípus eltérően oszcillál.
Amikor a T2K megmérte ezt a változót, azt találták, hogy ellentmond annak a hipotézisnek, miszerint a neutrinók és az antineutrinók azonos módon oszcillálnak. Kicsit technikailag meghatározták a változó lehetséges értéktartományát. 95% esély van arra, hogy az adott változó valódi értéke ezen a tartományon belül van, és csak 5% esélye annak, hogy a valódi változó ezen a tartományon kívül esik. A "nincs különbség" hipotézis kívül esik a 95 százalékos tartományon.
Egyszerűbben fogalmazva, a jelenlegi mérés azt sugallja, hogy a neutrínók és az antianyag neutrínók eltérően oszcillálnak, bár a bizonyosság nem emelkedik arra a szintre, hogy végleges állítást lehessen tenni. Valójában a kritikusok rámutatnak arra, hogy az ilyen statisztikai szignifikanciaszintű méréseket nagyon-nagyon szkeptikusan kell tekinteni. De ez természetesen rendkívül provokatív kezdeti eredmény, és a világ tudományos közössége rendkívül érdekli a továbbfejlesztett és pontosabb tanulmányokat.
A T2K kísérlet folytatja további adatok rögzítését a végleges mérés elvégzésében, ám ez nem az egyetlen játék a városban. A Chicago-n kívül található Fermilab-ban egy hasonló, NOVA nevű kísérlet mind a neutrino-, mind az antianyag-neutrinókat lőtte Minnesota északi részén, remélve, hogy a T2K-t megüti a lyukasztóba. És a jövőre nézve a Fermilab keményen dolgozik a DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) elnevezésű zászlóshajó-kísérletén, amely jóval jobb képességekkel rendelkezik e fontos jelenség tanulmányozására.
Noha a T2K eredmény nem egyértelmű és óvatosság szükséges, ez minden bizonnyal csábító. Tekintettel arra a hatalmas kérdésre, hogy miért látszik világegyetemünknek nem érzékelhető antimatériája, a világ tudományos közössége szívesen várja a további frissítéseket.
