U vrlo ranoj svemir, ubrzo nakon Velikog praska, 'stvar' i 'antimaterija' su postojale u jednakoj količini. Međutim, iz do sada nepoznatih razloga, 'stvar' dominira sadašnjošću svemir. Istraživači T2K nedavno su pokazali pojavu mogućeg poremećaja pariteta naboja u neutrinu i odgovarajućih anti-neutrinskih oscilacija. Ovo je korak naprijed u razumijevanju zašto stvar dominira nad svemir.
Veliki prasak (koji se dogodio prije oko 13.8 milijardi godina) i druge srodne teorije fizike sugeriraju da je rani svemir je zračenje 'dominantno' i 'stvar"i"antimaterija' postojao u jednakoj količini.
Ali svemir za koju danas znamo da je 'materija' dominantna. Zašto? Ovo je jedna od najintrigantnijih misterija svemir, (1).
Korištenje električnih romobila ističe svemir za koje danas znamo da su započeli s jednakim količinama 'materije' i 'antimaterije', oboje su stvoreni u parovima kako bi zakon prirode zahtijevao, a zatim su poništeni neprestano proizvodeći zračenje poznato kao 'kozmičko pozadinsko zračenje'. Unutar oko 100 mikro sekundi od Velikog praska materija (čestice) je nekako počela premašivati antičesticu, recimo jednu u svaku milijardu, a u roku od nekoliko sekundi sva antimaterija je uništena, ostavljajući za sobom samo materiju.
Koji je proces ili mehanizam koji bi stvorio ovu vrstu razlike ili asimetrije između materije i antimaterije?
Godine 1967. ruski teorijski fizičar Andrej Saharov pretpostavio je tri uvjeta potrebna za pojavu neravnoteže (ili proizvodnje materije i antimaterije različitim brzinama) u svemir. Prvi Saharovljev uvjet je kršenje barionskog broja (kvantnog broja koji ostaje očuvan u interakciji). To znači da su se protoni izuzetno sporo raspadali u lakše subatomske čestice poput neutralnog piona i pozitrona. Slično, antiproton se raspao na pion i elektron. Drugi uvjet je povreda simetrije konjugacije naboja, C, i simetrije konjugacije naboja-parnosti, CP koja se naziva i povreda parnosti naboja. Treći uvjet je da proces koji stvara barionsku asimetriju ne smije biti u toplinskoj ravnoteži zbog brzog širenja smanjujući pojavu anihilacije parova.
To je Saharovljev drugi kriterij kršenja CP, koji je primjer svojevrsne asimetrije između čestica i njihovih antičestica koji opisuje način njihovog raspadanja. Uspoređujući način na koji se čestice i antičestice ponašaju, tj. način na koji se kreću, međusobno djeluju i raspadaju, znanstvenici mogu pronaći dokaze te asimetrije. Kršenje CP pruža dokaz da su neki nepoznati fizikalni procesi odgovorni za različitu proizvodnju materije i antimaterije.
Poznato je da su elektromagnetske i 'jake interakcije' simetrične pod C i P, te su stoga simetrične i pod produktom CP (3). ''Međutim, to nije nužno slučaj za 'slabu interakciju', koja narušava i C i P simetriju'' kaže prof. BA Robson. Nadalje kaže da "kršenje CP-a u slabim interakcijama implicira da bi takvi fizički procesi mogli dovesti do neizravnog kršenja barionskog broja tako da bi stvaranje materije bilo bolje od stvaranja antimaterije". Čestice koje nisu kvarkovi ne pokazuju nikakva CP poremećaja, dok su CP poremećaji u kvarkovima premali i beznačajni da bi imali razliku u stvaranju materije i antimaterije. Dakle, CP kršenje u leptonima (neutrini) postaje važno i ako se dokaže onda bi odgovorilo zašto svemir je materija dominantna.
Iako se kršenje simetrije CP tek treba uvjerljivo dokazati (1), ali nalazi koje je nedavno objavio tim T2K pokazuju da su znanstvenici stvarno blizu tome. Po prvi put je dokazano da je prijelaz s čestice na elektron i neutrino favoriziran u odnosu na prijelaz s antičestice na elektron i antineutrino, kroz vrlo sofisticirane eksperimente na T2K (Tokai do Kamioka) (2). T2K se odnosi na par laboratorija, japanski kompleks za istraživanje protonskog akceleratora (J-Parc) u Tokai i podzemni opservatorij za neutrine Super-Kamiokande u Kamioka, Japan, razdvojen oko 300 km. Protonski akcelerator u Tokaiju generirao je čestice i antičestice iz sudara visoke energije, a detektori u Kamioki promatrali su neutrine i njihove antimaterijske kolege, antineutrine, vršeći vrlo precizna mjerenja.
Nakon analize nekoliko godina podataka na T2K, znanstvenici su uspjeli izmjeriti parametar nazvan delta-CP, koji upravlja prekidom CP simetrije u oscilaciji neutrina i otkrili su neusklađenost ili sklonost povećanju brzine neutrina što na kraju može dovesti do potvrda CP poremećaja u načinu osciliranja neutrina i antineutrina. Rezultati koje je pronašao tim T2K značajni su uz statističku značajnost od 3 sigme ili 99.7% razine pouzdanosti. To je prekretnica jer je potvrda CP poremećaja koji uključuje neutrine povezana s dominacijom materije u svemir. Daljnji eksperimenti s većom bazom podataka testirat će je li ovo kršenje leptonske CP simetrije veće od kršenja CP u kvarkovima. Ako je tako onda ćemo konačno imati odgovor na pitanje Zašto svemir je materija dominantna.
Iako eksperiment T2K ne utvrđuje jasno da je došlo do narušavanja CP simetrije, on je prekretnica u smislu da konačno pokazuje snažnu preferenciju za povećanu brzinu neutrona elektrona i vodi nas bliže dokazivanju pojave narušavanja CP simetrije i na kraju do odgovoriti 'zašto svemir je materija dominantna'.
***
Reference:
1. Sveučilište Tokyo, 2020. ''Rezultati T2K ograničavaju moguće vrijednosti neutrina CP faze -…..'' Priopćenje za javnost Objavljeno 16. travnja 2020. Dostupno online na http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Pristupljeno 17. travnja 2020.
2. T2K Collaboration, 2020. Ograničenje na fazu narušavanja simetrije materije i antimaterije u neutrinskim oscilacijama. Priroda svezak 580, stranice 339–344 (2020). Objavljeno: 15. travnja 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Problem asimetrije materije i antimaterije. Časopis za fiziku visokih energija, gravitaciju i kozmologiju, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
