Hiukkasfysiikan standardimalli on ollut hallitseva tapa selittää, mitkä aineen perusrakenteet ovat ja kuinka ne ovat vuorovaikutuksessa vuosikymmenien ajan. Alun perin 1970-luvulla ehdotettu malli väittää, että jokaisella luodulla hiukkasella on antihiukkas. Sellaisenaan tämän mallin aiheuttama kestävä mysteeri on miksi maailmankaikkeus voi olemassa, jos se koostuu teoriassa tasavertaisista osista ainetta ja antimateriaa.
Tätä näennäistä eroa, jota kutsutaan maksujen pariteetin (CP) rikkomukseksi, on kokeiltu useita vuosia. Mutta tähän mennessä ei ole tehty lopullista osoitusta tästä rikkomuksesta tai kuinka paljon ainetta voi olla olemassa universumissa ilman sen vastinetta. Mutta kansainvälisen Tokai-to-Kamioka (T2K) -yhteistyön julkistamien uusien havaintojen ansiosta voimme olla askeleen lähempänä ymmärtääksemme, miksi tämä ero on olemassa.
Ensimmäistä kertaa vuonna 1964 havaittu CP-rikkomus ehdottaa, että tietyissä olosuhteissa varaussymmetria- ja pariteettisymmetria (aka. CP-symmetria) koskevia lakeja ei sovelleta. Näiden lakien mukaan hiukkasia hallitsevan fysiikan tulisi olla sama, jos se vaihdetaan hiukkasen vastaiseen hiukkasiinsa, kun taas sen alueelliset koordinaatit olisivat käänteisiä. Tämän havainnon perusteella syntyi yksi suurimmista kosmologisista mysteereistä.
Jos ainetta ja antimateriaa säätelevät lait ovat samat, miksi universumi on niin aineen hallitsema? Vaihtoehtoisesti, jos aine ja antimateria ovat pohjimmiltaan erilaisia, niin miten tämä vastaa symmetria-ajatuksiamme? Näihin kysymyksiin vastaaminen ei ole tärkeätä vain siltä osin kuin hallitsevat kosmologiset teoriamme menevät, ne ovat myös luonnollisia ymmärtämään miten hiukkasia hallitsevat heikot vuorovaikutukset toimivat.
Kesäkuussa 2011 perustettu kansainvälinen T2K-yhteistyö on ensimmäinen kokeilu maailmassa, jonka tarkoituksena on vastata tähän mysteeriin tutkimalla neutriino- ja anti-neutriinoheilahteluita. Koe alkaa Japanin protonien kiihdyttimen tutkimuskompleksissa (J-PARC) generoitujen voimakkaiden muonineutriinojen (tai muonin anti-neutriinojen) säteillä, jotka sitten ampuu kohti 295 km: n päässä olevaa Super-Kamiokande-ilmaisinta.
Tämä ilmaisin on tällä hetkellä yksi maailman suurimmista ja hienostuneimmista, ja se on omistettu aurinko- ja ilmakehän neutrinoiden havaitsemiseksi ja tutkimiseksi. Kun neutriinot kulkevat näiden kahden laitoksen välillä, ne muuttavat “makua” - siirtyen muoni-neutriinoista tai anti-neutriinoista elektronisiksi neutriinoiksi tai anti-neutriinoiksi. Tarkkailemalla näitä neutriino- ja anti-neutriinokeilaja, koe tarkkailee erilaisia värähtelynopeuksia.
Tämä värähtelyero osoittaisi, että hiukkasten ja hiukkasten välillä on epätasapaino, ja siten antaisi ensimmäiset lopulliset todisteet CP-loukkauksesta. Se osoittaisi myös, että standardimallin ulkopuolella on fysiikkaa, jota tutkijoiden ei ole vielä koettamassa. Viime huhtikuussa julkaistiin T2K: n ensimmäinen tuottama tietojoukko, joka antoi joitain kertomuksellisia tuloksia.
Kuten T2K-yhteistyökumppani ja Kavli IPMU -projektin apulaisprofessori Mark Hartz sanoi äskettäisessä lehdistötiedotteessa:
"Vaikka tietojoukot ovat edelleen liian pieniä lopullisen lausunnon tekemistä varten, olemme nähneet heikko etusija suurille CP-rikkomuksille ja olemme innostuneita jatkamaan tietojen keräämistä ja etsimään herkempiä CP-rikkomuksia varten."
Nämä tulokset, jotka on äskettäin julkaistu Fyysinen arvostelukirjeet, Sisältää kaikki tiedot tammikuun 2010 ja toukokuun 2016 välisenä aikana. Kaikkiaan nämä tiedot olivat 7 482 x 1020 protonit (neutriinomoodissa), jotka tuottivat 32 elektronin neutriino- ja 135 mikronin neutriinotapahtumia, ja 7 471 × 1020 protonit (antineutrino-moodissa), jotka tuottivat 4 elektronin vastaista neutrino- ja 66 myonin neutriinotapahtumaa.
Toisin sanoen ensimmäinen tietoerä on tarjonnut jonkin verran todisteita CP-rikkomuksista, ja luottamusväli on 90%. Mutta tämä on vasta alku, ja kokeen odotetaan kestävän vielä kymmenen vuotta ennen käärimistä. "Jos olemme onnekkaita ja CP-rikkomuksen vaikutus on suuri, voimme odottaa 3 sigman todistusaineistoa tai noin 99,7%: n luotettavuustasoa CP: n rikkomiseen vuoteen 2026 mennessä", sanoi Hartz.
Jos kokeilu osoittautuu onnistuneeksi, fyysikot saattavat vihdoin pystyä vastaamaan, kuinka on, että varhainen maailmankaikkeus ei tuhonnut itseään. On myös todennäköistä, että paljastetaan maailmankaikkeuden näkökohtia, joihin hiukkasfyysikot haluavat päästä! Sille täältä löytyvät todennäköisesti vastaukset maailmankaikkeuden syvimpiin salaisuuksiin, kuten kuinka kaikki sen perusvoimat sopivat yhteen.
