Znanstvenici uživaju u istraživanju misterija, a što je misterija veća, to je veći entuzijazam. U znanosti postoji puno ogromnih neodgovorenih pitanja, ali kad idete veliki, teško je pobijediti "Zašto postoji nešto, umjesto ništa?"
To bi moglo izgledati kao filozofsko pitanje, ali to je pitanje koje podliježe znanstvenim istraživanjima. Nešto konkretnije rečeno: "Zašto je svemir napravljen od vrsta materije koja omogućuje ljudski život tako da mi uopće možemo postaviti ovo pitanje?" Znanstvenici koji su proveli istraživanje u Japanu najavili su prošlog mjeseca mjerenje koje se izravno odnosi na najfascinantnija ispitivanja. Čini se da se njihovo mjerenje ne slaže s najjednostavnijim očekivanjima trenutne teorije i moglo bi upućivati na odgovor na ovo bezvremeno pitanje.
Čini se da njihovo mjerenje govori da za određeni skup subatomskih čestica materija i antimaterija djeluju različito.
Materija protiv antimaterije
Pomoću akceleratora J-PARC, smještenog u Tokaiju, u Japanu, znanstvenici su ispustili snop sablasnih subatomskih čestica zvanih neutrini i njihovi antimaterijski parovi (antineutrinosi) kroz Zemlju do eksperimenta Super Kamiokande, smještenom u Kamioki, također u Japanu. Ovaj eksperiment, nazvan T2K (od Tokaija do Kamiokande), osmišljen je kako bi utvrdio zašto je naš svemir sačinjen od materije. Obično ponašanje koje su pokazali neutrini, nazvano neutrino oscilacija, moglo bi osvijetliti ovaj vrlo mučan problem.
Pitanje zašto je svemir sastavljen od tvari možda bi zvučalo kao neobično pitanje, ali postoji vrlo dobar razlog što su znanstvenici iznenađeni ovim. Jer znanstvenici, osim što znaju za postojanje materije, znaju i za antimateriju.
Britanski fizičar Paul Dirac je 1928. predložio postojanje antimaterije - antagonističkog brata materije. Kombinirajte jednake količine materije i antimaterije i dvije se uništavaju, što rezultira oslobađanjem ogromne količine energije. A, budući da principi fizike obično rade podjednako dobro i obrnuto, ako imate ogromnu količinu energije, ona se može pretvoriti u točno jednake količine materije i antimaterije. Antimaterija je 1932. godine otkrio Amerikanac Carl Anderson, a istraživači su imali gotovo stoljeće da prouče njena svojstva.
Međutim, ta rečenica "u točno jednakim količinama" je srž zagonetke. U kratkim trenucima odmah nakon Velikog praska, svemir je bio pun energije. Kako se širila i hladila, ta se energija trebala pretvoriti u jednake dijelove materiju i antimaterijske subatomske čestice, što bi danas trebalo primijetiti. Pa ipak, naš se svemir u potpunosti sastoji od materije. Kako je to moguće?
Brojeći broj atoma u svemiru i uspoređujući to s količinom energije koju vidimo, znanstvenici su utvrdili da "potpuno jednako" nije sasvim u redu. Nekako, kada je svemir bio star desetina trilijuna sekunde, zakoni prirode su se pomalo kretali u pravcu materije. Na svake 3 000 000 000 čestica antimaterije bilo je 3 000 000,001 čestica materije. 3 milijarde čestica materije i 3 milijarde čestica antimaterije kombinirano - i uništeno natrag u energiju, ostavljajući malo suvišne materije kako bi sačinjavalo svemir kakav danas vidimo.
Otkako je ova zagonetka shvaćena prije gotovo jednog stoljeća, istraživači su proučavali materiju i antimateriju kako bi utvrdili mogu li pronaći ponašanje u subatomskim česticama koje bi objasnile višak materije. Uvjereni su da su materija i antimaterija napravljeni u jednakim količinama, ali također su primijetili da klasa subatomskih čestica zvanih kvarkovi pokazuju ponašanja koja blago favoriziraju materiju u odnosu na antimateriju. To posebno mjerenje bilo je suptilno, uključivalo je klasu čestica zvanih K mesoni koji se iz materije mogu pretvoriti u antimateriju i natrag. No, neznatna je razlika u pretvaranju tvari u antimateriju u odnosu na obrnuto. Taj je fenomen bio neočekivan i njegovo otkriće dovelo je do Nobelove nagrade za 1980. godinu, ali veličina učinka nije bila dovoljna da objasni zašto materija dominira u našem svemiru.
Duhovne grede
Dakle, znanstvenici su skrenuli pozornost na neutrine, kako bi vidjeli može li njihovo ponašanje objasniti višak tvari. Neutrini su duhovi subatomskog svijeta. Uzajamno djelujući samo slabom nuklearnom silom, oni mogu prolaziti kroz materiju, a da pritom gotovo i ne djeluju. Da bi se dobio osjećaj razmjera, neutrini se najčešće stvaraju u nuklearnim reakcijama, a najveći nuklearni reaktor je Sunce. Da biste zaštitili sebe od polovice solarnih neutrina, bila bi potrebna masa čvrstog olova dubine oko 5 svjetlosnih godina. Neutrini stvarno ne djeluju baš puno.
Između 1998. i 2001., niz eksperimenata - jedan koristeći detektor Super Kamiokande, a drugi koji koristi SNO detektor u Sudburyju, Ontario - konačno je dokazao da neutrini pokazuju i drugo iznenađujuće ponašanje. Mijenjaju svoj identitet.
Fizičari poznaju tri različite vrste neutrina, od kojih je svaki povezan jedinstvenim subatomskim bratom, zvanim elektroni, muoni i tausi. Elektroni su ono što uzrokuje elektricitet, a čestice muona i tau-a vrlo su slične elektronima, ali teže i nestabilne.
Tri vrste neutrina, nazvane elektronski neutrino, muonski neutrino i tau neutrino, mogu se „pretvoriti“ u druge vrste neutrina i natrag. Takvo se ponašanje naziva neutrinska oscilacija.
Neutrino osciliranje jedinstveno je kvantni fenomen, ali je otprilike analogno onome što započnete sa zdjelicom vanilijevog sladoleda i, nakon što krenete i nađete žlicu, vratite se natrag da otkrijete da je zdjela pola vanilije i pola čokolade. Neutrini mijenjaju svoj identitet iz potpuno jedne vrste, u mješavinu tipova, u potpuno različit tip, a zatim natrag u izvorni tip.
Antineutrino oscilacije
Neutrini su čestice materije, ali postoje i antimatrični neutrini, zvani antineutrino. A to vodi do vrlo važnog pitanja. Neutrini osciliraju, ali antineutrini također osciliraju i osciliraju li na potpuno isti način kao i neutrini? Odgovor na prvo pitanje je da, dok na drugo pitanje nije poznat.
Razmotrimo ovo malo cjelovitije, ali na pojednostavljen način: Pretpostavimo da su postojala samo dva neutrino tipa - muon i elektron. Pretpostavimo nadalje da ste imali snop neutrinova tipa čisto muonskog tipa. Neutrini osciliraju određenom brzinom, a budući da se kreću u blizini brzine svjetlosti, oni osciliraju kao funkcija udaljenosti od mjesta na kojem su stvoreni. Stoga će snop čistih muonskih neutrina izgledati kao mješavina tipova muona i elektrona na nekoj udaljenosti, zatim čisto elektronskih tipova na drugoj udaljenosti, a zatim natrag samo do muona. Antitatrični neutrini čine isto.
Međutim, ako materija i antimaterijski neutrini osciliraju malo različitim brzinama, očekivali biste da ako biste bili na fiksnoj udaljenosti od točke na kojoj se stvorio snop čistih muonskih neutrina ili muonskih antineutrina, tada biste u slučaju neutrina vidjeli jednu mješavinu muonskih i elektronskih neutrina, ali u slučaju antitatralne neutrine, vidjeli biste različitu mješavinu antimaterijskih muona i elektrona neutrina. Stvarno stanje komplicira činjenica da postoje tri vrste neutrina i oscilacija ovisi o energiji snopa, ali to su velike ideje.
Promatranje različitih frekvencija oscilacija od strane neutrina i antineutrina bio bi važan korak prema razumijevanju činjenice da je svemir sačinjen od materije. To nije cijela priča, jer se moraju pridržavati i novih novih pojava, ali razlika između materije i neutrina antimaterije nužna je za objašnjenje zašto u svemiru postoji više materije.
U postojećoj teoriji koja opisuje interakcije neutrina postoji varijabla koja je osjetljiva na mogućnost da neutrini i antineutrinoli različito osciliraju. Ako je ta varijabla jednaka nuli, dvije vrste čestica osciliraju identičnim brzinama; ako se ta varijabla razlikuje od nule, dvije vrste čestica različito osciliraju.
Kad je T2K izmjerio ovu varijablu, ustanovili su da nije u skladu s hipotezom da neutrini i antineutrinovi osciliraju identično. Malo tehnički su odredili raspon mogućih vrijednosti za ovu varijablu. Postoji 95 posto vjerojatnosti da je istinska vrijednost za ovu varijablu unutar tog raspona i samo 5 posto vjerojatnosti da je istinska varijabla izvan tog raspona. Hipoteza „bez razlike“ je izvan raspona od 95 posto.
Jednostavnije rečeno, trenutna mjerenja sugeriraju da neutrini i antitatrični neutrini osciliraju različito, mada se sigurnost ne podiže na razinu da bi postavila konačnu tvrdnju. U stvari, kritičari ističu da mjerenja s ovom razinom statističke važnosti treba promatrati vrlo, vrlo skeptično. Ali to je svakako enormno provokativan početni rezultat, a svjetska znanstvena zajednica izuzetno je zainteresirana vidjeti bolja i preciznija istraživanja.
T2K eksperiment će i dalje bilježiti dodatne podatke u nadi da će se izvršiti konačna mjerenja, ali to nije jedina igra u gradu. U Fermilabu, koji se nalazi izvan Chicaga, sličan eksperiment zvan NOVA upucava i neutrine i antimaterijske neutrine u sjevernu Minnesotu, nadajući se da će T2K probiti do udarca. A, gledajući više u budućnost, Fermilab naporno radi na tome što će biti njen vodeći eksperiment, nazvan DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), koji će imati daleko superiorne sposobnosti za proučavanje ovog važnog fenomena.
Iako rezultat T2K nije konačan i zajamčen je oprez, to je sigurno mučno. S obzirom na ogromnost pitanja zašto čini se da naš svemir nema značajnu antimateriju, svjetska znanstvena zajednica spremno će čekati daljnja ažuriranja.
