Tutkijat nauttivat mysteerien tutkimisesta, ja mitä suurempi mysteeri, sitä suurempi innostus on. Tieteessä on monia valtavia vastaamattomia kysymyksiä, mutta kun menet isoksi, on vaikea lyödä "Miksi siellä on jotain sen sijaan, että mitään?"
Se saattaa tuntua filosofiselta kysymykseltä, mutta se on hyvin soveltuva tieteelliseen tutkimukseen. Sanoin hieman konkreettisemmin: "Miksi maailmankaikkeus on tehty sellaisista aineista, jotka tekevät mahdolliseksi ihmisen elämän, jotta voimme jopa kysyä tämän kysymyksen?" Japanissa tutkimusta tekevät tutkijat ovat ilmoittaneet viime kuussa mittauksen, joka kohdistuu suoraan kaikkein kiehtovimpiin tutkimuksiin. Näyttää siltä, että heidän mittauksensa eivät ole nykyisen teorian yksinkertaisimpien odotusten mukaisia ja saattavat hyvinkin osoittaa vastauksen tähän ajattomaan kysymykseen.
Heidän mittauksensa näyttää sanovan, että tietylle alaatomisten hiukkasten joukolle aine ja antimateria toimivat eri tavalla.
Matter v. Antimateria
Japanissa Tokaissa sijaitsevan J-PARC-kiihdyttimen avulla tutkijat ampuivat maapallon läpi haamumaisia subatomisia hiukkasia, joita kutsutaan neutrinoiksi, ja niiden antimateriaalin vastineita (antineutrinoja) Super Kamiokande -kokeeseen, joka sijaitsee Kamiokassa, myös Japanissa. Tämä koe, nimeltään T2K (Tokai to Kamiokande), on suunniteltu selvittämään miksi maailmankaikkeus on tehty aineesta. Neutriinojen omaleima käyttäytyminen, jota kutsutaan neutriino-värähtelyksi, saattaa valaista jonkin verran tätä hyvin kiusallista ongelmaa.
Kysyminen miksi maailmankaikkeus on tehty aineesta saattaa kuulostaa erikoiselta kysymykseltä, mutta on erittäin hyvä syy, että tutkijat ovat yllättyneitä tästä. Se johtuu siitä, että tutkien aineen olemassaolon lisäksi, he tietävät myös antimateriaalista.
Vuonna 1928 brittiläinen fyysikko Paul Dirac ehdotti antimaterian olemassaoloa - aineen antagonistista sisarusta. Yhdistä yhtä suuret määrät ainetta ja antimateriaa ja kaksi tuhoavat toisiaan, mikä johtaa valtavan määrän energian vapautumiseen. Ja koska fysiikan periaatteet toimivat yleensä yhtä hyvin päinvastaisesti, jos sinulla on upea määrä energiaa, se voi muuttua täsmälleen yhtä suureiksi määriksi aineeksi ja antimateriaaliksi. Amerikkalainen Carl Anderson löysi antimaterian vuonna 1932, ja tutkijoilla on ollut lähes vuosisata tutkia sen ominaisuuksia.
Kuitenkin se "tarkalleen yhtä suureiksi määriksi" -lause on ytimen ydin. Lyhyinä hetkeinä heti Ison räjähdyksen jälkeen maailmankaikkeus oli täynnä energiaa. Sen laajentuessaan ja jäähtyessään kyseisen energian olisi pitänyt muuttua yhtä suureiksi osaksi aineita ja antimaterian subatomisia hiukkasia, joiden pitäisi olla havaittavissa tänään. Ja silti universumimme koostuu olennaisesti kokonaan aineesta. Kuinka se voi olla?
Laskemalla atomien lukumäärä maailmankaikkeudessa ja vertaamalla sitä näkemäämme energian määrään, tutkijat päättelivät, että "täsmälleen yhtä suuri" ei ole aivan oikein. Jotenkin, kun maailmankaikkeus oli noin kymmenesosa biljoonia toisen sekunnin vanhasta, luonnonlakit vinoutuivat aina niin vähän aineen suuntaan. Jokaista 3 000 000 000 antimateria hiukkasta kohden oli 3 000 000 001 ainehiukkasta. 3 miljardia ainepartikkelia ja 3 miljardia antimateriaalipartikkelia yhdistyivät - ja tuhosivat takaisin energiaksi, jättäen pienen aineen ylimäärän muodostamaan nykypäivän maailmankaikkeuden.
Koska tämä palapeli ymmärrettiin melkein sata vuotta sitten, tutkijat ovat tutkineet ainetta ja antimateriaa selvittääkseen, löytäisikö he subatomisissa hiukkasissa käyttäytymisen, joka selittää aineen ylimäärän. He ovat vakuuttuneita siitä, että ainetta ja antimateriaalia tehdään samoina määrinä, mutta he ovat myös havainneet, että alaatomisten hiukkasten luokka, nimeltään kvarkeja, käyttäytyy, joka suosii hiukan ainetta antimateriaaliin nähden. Tuo mittaus oli hieno, sisältäen luokan hiukkasia, nimeltään K-mesoneja, jotka voivat muuttua aineesta antimateriaaliksi ja takaisin. Mutta aineessa, joka muuttuu antimateriaaliksi, on pieni ero verrattuna päinvastaiseen. Tämä ilmiö oli odottamaton ja sen löytäminen johti vuoden 1980 Nobel-palkinnon saamiseen, mutta vaikutuksen suuruus ei riittänyt selittämään miksi aine hallitsee maailmankaikkeuttamme.
Aavemaiset palkit
Siksi tutkijat ovat kiinnittäneet huomionsa neutriinoihin nähdäkseen, voiko heidän käyttäytymisensä selittää ylimääräisen aineen. Neutrinot ovat subatomisen maailman aaveita. Vain heikon ydinvoiman kautta vuorovaikutuksessa he pääsevät läpi aineen vuorovaikutuksessa melkein ollenkaan. Antaaksesi käsityksen mittakaavasta, neutriinoja syntyy yleisimmin ydinreaktioissa ja suurin ydinreaktori ympärillä on aurinko. Itse itsensä suojaamiseksi puolelta aurinko-neutriinoista otettaisiin massa kiinteää lyijyä noin viiden valovuoden syvyydessä. Neutrinot eivät todellakaan ole vuorovaikutuksessa kovinkaan paljon.
Vuosien 1998 ja 2001 välillä sarja kokeita - yksi käytti Super Kamiokande -detektoria ja toinen SNO-detektoria Sudburnissa, Ontariossa - osoitti lopullisesti, että neutriinoilla on myös toinen yllättävä käyttäytyminen. He muuttavat henkilöllisyyttään.
Fyysikot tuntevat kolme erillistä neutriinotyyppiä, joista kukin liittyy ainutlaatuiseen subatomiseen sisarukseen, joita kutsutaan elektroniksi, kuoneiksi ja tauksiksi. Elektronit ovat se, mikä aiheuttaa sähköä, ja muoni- ja tau-hiukkaset ovat hyvin samanlaisia kuin elektronit, mutta raskaampia ja epävakaita.
Kolme tyyppisiä neutriinoja, joita kutsutaan elektronineutriinoiksi, muoni-neutriinoiksi ja tau-neutriinoiksi, voivat "morfioitua" muun tyyppisiksi neutriinoiksi ja takaisin. Tätä käyttäytymistä kutsutaan neutriino-värähtelyksi.
Neutrino-värähtely on ainutlaatuinen kvantti-ilmiö, mutta se on suunnilleen sama kuin aloittaminen kulhoon vaniljajäätelöä. Kun olet löytänyt lusikan, palaat takaisin huomaamaan, että kulho on puoliksi vaniljaa ja puolittain suklaata. Neutrinot muuttavat identiteettinsä kokonaan yhdeksi tyypiksi tyyppien yhdistelmäksi täysin toiseksi tyypiksi ja sitten takaisin alkuperäiseen tyyppiin.
Antineutrino-värähtelyt
Neutriinot ovat ainehiukkasia, mutta myös antineutrinosia, joita kutsutaan antineutrinoiksi, on olemassa. Ja tämä johtaa erittäin tärkeään kysymykseen. Neutrinot värähtelevät, mutta heilahtavatko myös antineutrinot ja värähtelevätkö ne täsmälleen samalla tavalla kuin neutriinot? Vastaus ensimmäiseen kysymykseen on kyllä, kun taas toiseen kysymykseen ei tiedetä.
Tarkastellaan tätä hiukan täydellisemmin, mutta yksinkertaistetulla tavalla: Oletetaan, että neutriinotyyppejä oli vain kaksi - kuoni ja elektron. Oletetaan lisäksi, että sinulla oli puhtaasti muonityyppisiä neutriinoja. Neutrinot värähtelevät tietyllä nopeudella ja koska ne liikkuvat lähellä valonopeutta, ne värähtelevät etäisyyden funktiona siitä, mihin ne on luotu. Siten puhtaan muonineutriinisäteen palkki näyttää sekoitukselta muoni- ja elektronityypeiltä jollakin etäisyydellä, sitten puhtaasti elektronityyppejä toisella etäisyydellä ja sitten takaisin vain muoneille. Antimateriaalineutriinot tekevät saman asian.
Kuitenkin, jos aineen ja antimaterian neutriinot värähtelevät hiukan erilaisilla nopeuksilla, luulet, että jos olisit kiinteä etäisyys pisteestä, jossa puhtaan muonineutriinojen tai muonin antineutrinosäteen luotiin, niin neutriinotapauksessa voit nähdä yksi seos muoni- ja elektronineutriinoja, mutta antimateriaalineutriino-tapauksessa saat nähdä erilaisen seoksen antimateria-muonia ja elektronineutriinoja. Varsinaista tilannetta monimutkaistaa se, että neutriinoja on kolmenlaisia ja värähtely riippuu säteen energiasta, mutta nämä ovat suuria ideoita.
Eri värähtelytaajuuksien havaitseminen neutrinoiden ja antineutrinoiden avulla olisi tärkeä askel kohti ymmärtää tosiasiaa, että maailmankaikkeus on tehty aineesta. Se ei ole koko tarina, koska myös uusien uusien ilmiöiden on oltava voimassa, mutta aineen ja antimaterian neutriinojen välinen ero on tarpeen selittämään, miksi universumissa on enemmän ainetta.
Nykyisessä vallitsevassa teoriassa, joka kuvaa neutriinovuorovaikutuksia, on muuttuja, joka on herkkä mahdollisuudelle, että neutriinot ja antineutrinot värähtelevät eri tavalla. Jos tämä muuttuja on nolla, kahden tyyppiset partikkelit värähtelevät samoilla nopeuksilla; jos tämä muuttuja eroaa nollasta, nämä kaksi partikkelityyppiä värähtelevät eri tavalla.
Kun T2K mittasi tämän muuttujan, he havaitsivat olevan ristiriidassa hypoteesin kanssa, jonka mukaan neutriinot ja antineutrinot värähtelevät identtisesti. Hieman teknisemmin, he määrittivät tämän muuttujan mahdollisten arvojen alueen. On 95 prosentin todennäköisyys, että kyseisen muuttujan todellinen arvo on tällä alueella, ja vain 5 prosentin todennäköisyys, että todellinen muuttuja on kyseisen alueen ulkopuolella. "Ei eroa" -hypoteesi on 95 prosentin alueen ulkopuolella.
Yksinkertaisemmin sanottuna nykyinen mittaus viittaa siihen, että neutriinot ja antimateriaalineutriinot värähtelevät eri tavalla, vaikka varmuus ei nouse tasolle lopullisen väitteen esittämiseksi. Itse asiassa kriitikot huomauttavat, että mittauksia, joilla on tämä tilastollisen merkitsevyyden taso, olisi tarkasteltava hyvin, hyvin skeptisesti. Mutta se on varmasti erittäin provosoiva alustava tulos, ja maailman tiedeyhteisö on erittäin kiinnostunut näkemään parempia ja tarkempia tutkimuksia.
T2K-kokeilu tallentaa edelleen lisätietoja toivoen lopullisen mittauksen tekemisen, mutta se ei ole ainoa peli kaupungissa. Chicagon ulkopuolella sijaitsevassa Fermilabissa vastaava kokeilu nimeltään NOVA ampuu sekä neutriinoja että antimateriaalin neutriinoja Pohjois-Minnesotalle toivoen voittavansa T2K: n lyöntiin. Ja katsomalla enemmän tulevaisuuteen, Fermilab työskentelee ahkerasti lippulaivakokeeseensa, nimeltään DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), jolla on huomattavasti parempia mahdollisuuksia tutkia tätä tärkeää ilmiötä.
Vaikka T2K-tulos ei ole lopullinen ja varovaisuus on perusteltua, se on varmasti houkutteleva. Koska kysymys siitä, miksi universumillamme ei näytä olevan tuntuvaa antimateriaa, on valtava, maailman tiedeyhteisö odottaa innokkaasti uusia päivityksiä.
