Kosmologia

Miksi maailmankaikkeus koostuu aineesta eikä antiaineesta? Uusi kokeilu antaa houkuttelevan vihjeen.

2024

Tutkijat ampuivat neutriinoja maan läpi ovat ottaneet kunnollisen askeleen kohti vastaamista yhteen maailmankaikkeuden perustavanlaatuisimmista ja raskaimmista kysymyksistä: miksi kaikki on tehty aineesta eikä antiaineesta?

Tiedät termin antiaine . Perusosa scifiä, mm Star Trek , se on sama kuin aine, mutta vastaavalla sähkövarauksella. Joten anti-elektronilla, jota kutsutaan positroniksi, on kaikki samat ominaisuudet kuin elektronilla, mutta sillä on positiivinen sähkövaraus negatiivisen sijasta. Anti-protoni on kuin protoni, mutta sillä on negatiivinen varaus ja niin edelleen.

Toinen antiaineen hauska ominaisuus on, että jos otat hiukkasen ja sen antihiukkasen ja saat ne yhteen, paukuttaa. Big, big bang: He muuttavat puhdasta energiaa. A paljon energiasta. Jos tapasin anti-Philin ja päätimme tanssia, räjähtäisimme samalla energialla kuin 3500 yhden megatonnin ydinaseita .

Antimateria ei ole paha, mutta et halua yhdistää sitä aineeseen. Luotto: Phil Plait

Ja se on ongelma (raven pilaamisen lisäksi). Näette, fysiikan lakien mukaan, sellaisina kuin ymmärrämme ne, kun maailmankaikkeus oli hyvin nuori - vain muutaman minuutin vanha - ja sen lämpötila laski tarpeeksi laajentuessaan , sen olisi pitänyt luoda yhtä paljon ainetta ja antiaineita.

Mutta jos se olisi totta, jokainen hiukkanen olisi kohdannut antihiukkasensa ja ka syyttää . Kosmosessa ei pitäisi olla ainetta tai antiaineita. He kaikki olisi tuhottu. Ja silti täällä ollaan.

ben 10 (TV-sarja 2016)

Todellisuudessa nämä kaksi eivät olleet tasavertaisia. Jokaista miljardia kappaletta ainetta/antiainehiukkasia kohti oli yksi jäljellä oleva ainehiukkanen. Ei paljon, mutta riittävästi, jotta voidaan ottaa huomioon kaikki galaksit, tähdet, planeetat, ihmiset ja kupit Earl Grey -teetä, joita näemme tänään kaikkien muiden parien tuhoutumisen jälkeen.

nancy piirsi ja piilotetut portaat

Mutta miksi? Miksi epäsymmetria?

Sen täytyy olla, että aine-/antiaine -symmetrialakejamme rikotaan jollain tavalla, antimateriaa ei tarkalleen kuten asia jollain tavalla. Mutta mitä?

Tutkijat ovat etsineet tätä epäsymmetriaa pitkään . Yksityiskohtainen fysiikka on mielenkiintoista - tähän on loistava selitys DAEδALUS -kokeilusivustolla - mutta et tarvitse kaikkea ymmärtääksesi seuraavan bitin, mitä tiedemiehet tekevät löytääkseen sen.

OK, mennään sivumatkalle hetkeksi. On olemassa toisenlainen subatominen hiukkanen, jota kutsutaan neutrinoksi. Sillä on paljon outoja ominaisuuksia, kuten se, että se pystyy kulkemaan läpi paljon normaalia ainetta ikään kuin sitä ei olisi siellä; se ei vain ole paljon yhteydessä aineeseen. Pikkuinen, mutta ei paljon. Ne tulevat myös kolmeen eri makuun, joita kutsutaan muoniksi, elektroniksi ja tau -neutriinoiksi. Eräänlainen neutrino voi muuttua spontaanisti toiseksi, kun se kulkee avaruuden läpi.

Ja syy, miksi mainitsen heidät täällä, on se, että kun käy läpi uskomattoman monimutkaiset yhtälöt, jotka hallitsevat neutriinoja ja niiden vastaavia aineita, löydät vihjeen siitä, että ne eivät ehkä toimi samalla tavalla. Siellä voi todellakin olla epäsymmetria, joten tiedemiehet ovat keskittäneet ponnistelunsa.

Ja tässä päästään erittäin mielenkiintoiseen osaan: Tutkijat T2K -yhteistyö juuri ilmoittanut he ovat saattaneet mitata tämän symmetriarikkomuksen neutriinoissa . Tulokset eivät ole kivoja, mutta erittäin mielenkiintoisia.

Kokeessa luodaan muonineutriinosäde ja ammutaan se Japanin protonikiihdyttimen tutkimuskompleksista (JPARC) kiinteän Maan läpi 295 kilometrin päässä Super-Kamiokande-neutriinotunnistimeen.

616 numeron merkitys

He tekevät tämän kiihdyttämällä protoneja hiilinäytteeksi, joka sitten pursottaa muonineutriinot säteeseen, joka on suunnattu Super-Kamiokandelle. Kun he saapuvat sinne millisekuntia myöhemmin (!!), hyvin, hyvin harvat näistä neutriinoista osuvat atomiin säiliöön varastoituun 50000 tonniin erittäin puhdasta vettä ja luo muoni, vielä toinen hiukkasetyyppi. Useimmat neutriinot kulkevat kuitenkin suoraan läpi, minkä vuoksi tulosten saaminen kestää 20 vuotta, kun hiiltä leikataan protoneilla.

Mutta jotkut niistä muuttavat makua ja tulevat elektroni neutriinot lyhyessä ajassa ennen kuin ne pääsevät vesisäiliöön. Kun näin tapahtuu, ne osuvat säiliön atomeihin ja muodostavat elektronin muonin sijasta.

Lisäksi JPARC voi luoda muonia anti myös neutriinoja. Sama tapahtuu: Jotkut tekevät muoneja säiliöön, ja jotkut muuttuvat elektronien antineutriinoiksi ja tekevät elektroneja.

Antiaineen löytäminen on helppoa, jos tiedät etsimäsi vihjeet. Luotto: Shutterstock / Phil Plait

Jos aine/antiaine -symmetria pysyy voimassa, neutrinoiden tuottamien muonien ja elektronien suhteen tulee olla sama kuin antineutriinoilla. Mutta he löysivät, että suhde näyttää olevan erilainen! Muonineutriinot näyttävät muuttuvan elektronineutriinoiksi enemmän kuin vastaavat aineet.

Erittäin suuri, jos totta.

Erottavatko fysiikan lait aineen ja antiaineen? Tämä kokeilu viittaa siihen, että vastaus on kyllä. Ongelma on, että se ei ole lopullinen. Kultastandardi on, että tilastollisesti sinulla on 99,7% luottamus tulokseen (kutsutaan 5-sigma-standardiksi). Tällä tuloksella on vain vähän tuloksia, mikä antaa tilastollisen varmuuden 'vain' 95% (3 sigmaa). Se on hyvin provosoivaa, mutta ei konkreettista, eikä sitä voida vielä kutsua löydöksi.

joten luulet osaavasi tanssia ikävaatimuksen

Voi, mutta se on soooo ärsyttävä.

Perkeleissä yhtälöissä, jotka ohjaavat neutriinokäyttäytymistä, on testi delta-CP; jos aineen ja antiaineen välillä on ero, se on siinä numerossa. Se voi ottaa teoriassa paljon arvoja, mutta tämä kokeilu näyttää jättävän pois noin puolet niistä käytännössä. Tämä kaventaa juuri sitä, missä tutkijoiden on tarkasteltava yhtälöistä nähdäkseen, miten maailmankaikkeus käyttäytyy, miksi se pitää ainetta parempana kuin antimateriaa. Työtä tarvitaan paljon enemmän, mutta nämä tulokset näyttävät ainakin osoittavan suuntaan, johon on mentävä, mikä on enemmän kuin meillä oli ennen.

Ja hei: Matkan varrella ymmärrystä vain miksi Kosmos tykkää jonkinlaisista hiukkasista toisen päälle, voimme selvittää Miten tehdä yksi toisen päälle. Ja kuka tietää sitten minne voimme rohkeasti mennä?