Dodano: 17 kwiecień 2020r.

Dlaczego we Wszechświecie jest dużo materii, a mało antymaterii?

Międzynarodowa grupa badaczy współpracująca przy eksperymencie T2K przedstawiła najsolidniejsze jak dotychczas dowody na łamanie symetrii między materią i antymaterią w oscylacjach neutrin. Rezultaty tych badań pomagają w zrozumieniu, dlaczego we Wszechświecie jest tak dużo materii, w porównaniu z antymaterią. W badania swój wkład wnieśli też polscy naukowcy skupieni w Polskiej Grupy Neutrinowej.

Dlaczego we Wszechświecie jest dużo materii, a mało antymaterii?

 

Istniejemy tylko dlatego, że rzeczywistość jest niedoskonałym odbiciem samej siebie. Gdyby we Wszechświecie istniała perfekcyjna symetria, to powinno być tyle samo materii i antymaterii, ale tak nie jest. Naukowcy uważają, że zaraz po Wielkim Wybuchu we Wszechświecie istniały jednakowe ilości materii i antymaterii, ale tajemnicą pozostaje, dlaczego cała materia nie anihilowała z antymaterią. Dzięki tej niedoskonałości symetrii powstały galaktyki, gwiazdy i planety, które teraz widzimy we Wszechświecie.

Materia i antymateria

Materia i antymateria wydają się niemal identyczne. Antymateria jest jak lustrzane odbicie materii. Każdej cząstce materii odpowiada cząstka antymaterii, czyli antycząstka. Te antycząstki wyglądają i zachowują się jak „zwykłe” cząstki, ale mają przeciwne ładunki. Chociażby taki naładowany dodatnio proton, ma swoje lustrzane odbicie w postaci antyprotonu o ujemnym ładunku. Co istotne, gdy cząstka spotka się z antycząstką, wówczas obie ulegają anihilacji.

Dlatego tajemnicą pozostaje fakt, że tuż po Wielkim Wybuchu nie doszło do anihilacji cząstek i antycząstek, nie pozostawiając nic poza wybuchem jasnego światła. Sugeruje to, że muszą istnieć pewne fundamentalne różnice między cząstkami i antycząstkami, pewne asymetrie, które wyjaśniłyby, dlaczego materia zdominowała antymaterię. Wydaje się, że jedną z takich asymetrii właśnie znaleźli naukowcy.

Wyniki badań międzynarodowego zespołu ukazały się na łamach pisma „Nature”. Wśród autorów pracy są m.in. naukowcy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Politechniki Warszawskiej oraz z Uniwersytetów: Warszawskiego, Śląskiego i Wrocławskiego.

Neutrina i łamanie symetrii

Dane zbierane od niemal dekady w eksperymencie fizyki cząstek T2K (Tokai to Kamioka) w Japonii dostarczyły jak dotąd najsolidniejszych dowodów na brak równowagi we Wszechświecie, który może pomóc wyjaśnić, dlaczego materia nie zniknęła chwilę po utworzeniu. W eksperymencie uczeni poszukują znaczących różnic w tym, jak prawie bezmasowe, pozbawione ładunku elektrycznego i niezmiernie trudne do obserwacji cząstki elementarne zwane neutrinami zmieniają formę, w porównaniu z ich lustrzanymi odbiciami – antyneutrinami. Opublikowane rezultaty badań opisują łamanie symetrii między materią i antymaterią w oscylacjach neutrin.

Neutrina (obok fotonów) są najbardziej rozpowszechnionymi cząstkami we Wszechświecie. Ciągle nie wiadomo o nich jednak zbyt wiele, ponieważ bardzo słabo oddziałują z materią. Na tyle słabo, że często określa się je mianem "cząstek-duchów". Pierwsze spekulacje dotyczące istnienia neutrin pojawiły się jeszcze w latach 30. ubiegłego wieku, jednak ich pierwsza eksperymentalna obserwacja nastąpiła niemal ćwierć wieku później. Mimo, że od tamtej pory upłynął szmat czasu, to nadal niektóre własności neutrin stanowią zagadkę dla naukowców.

Neutrina powstają w reakcjach jądrowych - np. w gwiazdach, w akceleratorach cząstek czy reaktorach jądrowych. Są bardzo lekkie, prawie nie oddziałują z innymi cząstkami i nie tworzą z nimi układów związanych - jak ma to np. miejsce w przypadku kwarków czy elektronów. Neutrina przenikają przez ciało człowieka, nie oddziałując z jego tkankami.

Neutrina poruszając się w przestrzeni mogą zmieniać typ, np. neutrino elektronowe może zamienić się na mionowe. Jest to tzw. zjawisko oscylacji neutrin. Uczeni porównali oscylację neutrin z oscylacjami antyneutrin - ich odpowiedników ze świata antymaterii. Parametr opisujący łamanie symetrii materia/antymateria w oscylacjach neutrin nazwany jest fazą δCP.

- Nasze badania wskazują, że dla neutrin prawdopodobieństwo przemiany z mionowych w elektronowe jest wyższe, niż dla antyneutrin. A tzw. symetria CP jest tam łamana w najwyższy możliwy sposób. Już bardziej złamać się jej tam nie da – przyznała w rozmowie z PAP uczestniczka eksperymentu T2K dr hab. Justyna Łagoda z NCBJ.

Zdarza się jednak, że maleńkie neutrino raz na biliony przypadków zderzy się z inną cząstką. Analizując cząstki, które powstaną w takim zderzeniu - można dowiedzieć się czegoś również o neutrinach.

Eksperyment T2K

W eksperymencie T2K w ośrodku J-PARC pod miejscowością Tokai na wschodzie Japonii produkowane są neutrina i wypuszczane są pod ziemią, przez skały, w stronę Kamioki, która leży na zachodzie Japonii - ok. 300 km dalej. Tam z kolei kilometr pod ziemią znajduje się detektor Super-Kamiokande. Jego częścią jest ogromny zbiornik z wodą o średnicy 40 m i 40 m wysokości. Na co dzień w jego wnętrzu jest całkiem ciemno, a w ciemność tę skierowane są tysiące fotopowielaczy, które wychwycą nawet pojedynczy foton. Taki foton może być bowiem śladem po zderzeniu neutrina z cząsteczką wody.

Chociaż przez Super-Kamiokande ciągle przelatuje strumień neutrin z J-PARC, maleńkie rozbłyski są tam rzadkością. Jeśli już jednak rozbłysk jest zarejestrowany - można zbadać, skąd się wziął i dojść do informacji o samym, związanym z nim neutrinie: skąd przybyło, i czy jest to neutrino mionowe - czy elektronowe (to dwa z trzech możliwych rodzajów neutrin).

Kilka lat temu dzięki eksperymentowi T2K udało się przyłapać neutrina na ich szaleństwach i stwierdzić, że neutrina mionowe wypuszczane z Tokai stają się czasem po drodze neutrinami elektronowymi. Fizycy byli jednak bardzo ciekawi, czy takich samych "szaleństw" dopuszczają się antyneutrina. Wydawało się, że nie powinno być tu żadnych różnic. A jednak - okazało się, że różnice występują. I to są całkiem duże. To ważna uzyskana w eksperymencie wskazówka: że zjawiska, które zachodzą w materii, przebiegają inaczej, niż w antymaterii.

Choć badania trwają od lat, to naukowcy zaznaczają, że wciąż jest za wcześnie, by mówić o „odkryciu”. Do tego potrzebne jest kolejne potwierdzenie - analiza jeszcze większej liczby danych o oscylacji neutrin i antyneutrin. Do tego zaś trzeba uruchomić nowy eksperyment - HyperKamiokande. Pozwoli on rejestrować w krótszym czasie znacznie więcej neutrin. Jednak budowa nowego eksperymentu jeszcze nie wystartowała.

 

Źródło: PAP – Nauka w Polsce, NCBJ, Live Science, fot. T2K Collaboration. Na zdjęciu wnętrze detektora Super-Kamiokande