Vedci sa radujú z objavovania záhad a čím väčšie je toto tajomstvo, tým väčšie je nadšenie. Vo vede je veľa obrovských nezodpovedaných otázok, ale keď idete do veľkých problémov, je ťažké poraziť: „Prečo je niečo, nie nič?“
Mohlo by sa to zdať ako filozofická otázka, ale je to otázka, ktorá sa dá veľmi vedecky preskúmať. Trochu konkrétnejšie, „Prečo je vesmír vyrobený z takých látok, ktoré umožňujú ľudský život, aby sme si mohli položiť túto otázku?“ Vedci vykonávajúci výskum v Japonsku minulý mesiac oznámili meranie, ktoré priamo rieši to naj fascinujúcejšie vyšetrovanie. Zdá sa, že ich meranie nesúhlasí s najjednoduchšími očakávaniami súčasnej teórie a mohlo by dobre ukázať na odpoveď na túto nadčasovú otázku.
Zdá sa, že z ich merania vyplýva, že na konkrétny súbor subatomárnych častíc pôsobí hmota a antihmota odlišne.
Matter v. Antihmota
Použitím urýchľovača J-PARC, ktorý sa nachádza v japonskom Tokai, vystrelili vedci lúč strašidelných subatomárnych častíc nazývaných neutrína a ich protinádorové náprotivky (antineutrína) cez Zem na experiment Super Kamiokande, ktorý sa nachádza v Kamioke, tiež v Japonsku. Tento experiment s názvom T2K (Tokai to Kamiokande) je určený na to, aby určil, prečo je náš vesmír vyrobený z hmoty. Zvláštne správanie, ktoré prejavujú neutrína a ktoré sa nazýva neutrínová oscilácia, by mohlo objasniť tento veľmi nepríjemný problém.
Otázka, prečo je vesmír vyrobený z hmoty, môže znieť ako zvláštna otázka, ale existuje veľmi dobrý dôvod, prečo sú vedci prekvapení. Je to preto, že vedci vedeli o antihmote okrem poznania existencie hmoty.
V roku 1928 britský fyzik Paul Dirac navrhol existenciu antihmoty - antagonistického súrodenca hmoty. Kombinujte rovnaké množstvo hmoty a antihmoty a navzájom sa zničte, čo má za následok uvoľnenie obrovského množstva energie. A pretože fyzikálne princípy zvyčajne fungujú rovnako dobre, ak máte obrovské množstvo energie, môže sa premieňať na presne rovnaké množstvo hmoty a antihmoty. Antihmota bola objavená v roku 1932 Američanom Carlom Andersonom a vedci mali takmer storočie na to, aby preštudovali jej vlastnosti.
Táto fráza „do presne rovnakých množstiev“ je však jadrom hádanky. V krátkych okamihoch bezprostredne po Veľkom tresku bol vesmír plný energie. Ako sa rozširovalo a ochladzovalo, táto energia sa mala premieňať na rovnaké časti hmoty a antihmotové subatomárne častice, ktoré by mali byť dnes pozorovateľné. A predsa náš vesmír pozostáva v podstate výlučne z hmoty. Ako to môže byť?
Počítaním počtu atómov vo vesmíre a ich porovnaním s množstvom energie, ktoré vidíme, vedci zistili, že „presne rovnaké“ nie je celkom správne. Ak nejako bol vesmír asi desatinu biliónovej sekundy druhého, prírodné zákony boli sklonené tak mierne k smeru hmoty. Na každých 3 000 000 000 častíc antihmoty bolo 3 000 000 001 častíc hmoty. Tieto 3 milióny častíc hmoty a 3 miliardy antihmotových častíc sa spojili - a zničili sa späť na energiu, čím zanechali malý prebytok hmoty, aby vytvorili vesmír, ktorý dnes vidíme.
Keďže táto hádanka bola pochopená takmer pred sto rokmi, vedci študovali hmotu a antihmotu, aby zistili, či dokážu nájsť správanie v subatomárnych časticiach, ktoré by vysvetľovali nadbytok hmoty. Sú presvedčení, že hmota a antihmota sa vyrábajú v rovnakom množstve, ale tiež zistili, že skupina subatomárnych častíc nazývaných kvarky vykazuje správanie, ktoré mierne uprednostňuje hmotu pred antihmotou. Toto konkrétne meranie bolo jemné, zahŕňajúce triedu častíc nazývaných K mezóny, ktoré sa môžu premieňať z hmoty na antihmotu a späť. Existuje však mierny rozdiel v premene látky na antihmotu v porovnaní s opačným smerom. Tento jav bol neočakávaný a jeho objavovanie viedlo k Nobelovej cene za rok 1980, ale veľkosť účinku nestačila na vysvetlenie, prečo v našom vesmíre dominuje hmota.
Strašidelné lúče
Vedci sa preto zamerali na neutrína, aby zistili, či ich správanie dokáže vysvetliť nadbytočnú hmotu. Neutrína sú duchmi subatomárneho sveta. Interagujú iba cez slabú jadrovú silu a môžu prechádzať hmotou bez toho, aby takmer vôbec interagovali. Aby sme získali mierku, neutrína sa najčastejšie vytvárajú v jadrových reakciách a najväčším jadrovým reaktorom v okolí je Slnko. Na to, aby sme sa chránili pred polovicou solárnych neutrín, vyžadovalo by si to asi o 5 svetelných rokov hlbšie masívne vedenie. Neutrína v skutočnosti veľmi nereagujú.
V rokoch 1998 až 2001 sa sériu experimentov - jeden pomocou detektora Super Kamiokande a druhý pomocou detektora SNO v Sudbury, Ontário - preukázalo, že neutrína tiež vykazujú ďalšie prekvapujúce správanie. Menia svoju identitu.
Fyzici vedia o troch rôznych druhoch neutrín, z ktorých každý je spojený s jedinečným subatomickým súrodencom, ktorý sa nazýva elektróny, mióny a taus. Elektróny spôsobujú elektrinu a častice miónov a tau sú veľmi podobné elektrónom, ale sú ťažšie a nestabilnejšie.
Tri druhy neutrín, nazývané elektrónové neutríny, miónové neutríny a tau neutríny, sa môžu „premieňať“ na iné typy neutrín a späť. Toto správanie sa nazýva neutrínová oscilácia.
Neutrino oscilácia je jedinečný kvantový jav, ale je zhruba analogický tomu, ako začať s miskou vanilkovej zmrzliny, a keď idete nájsť lyžicu, vrátite sa a zistíte, že misa je napoly vanilky a napoly čokolády. Neutrína menia svoju identitu z úplne jedného typu, na kombináciu typov, na úplne iný typ, a potom späť na pôvodný typ.
Antineutrínové kmity
Neutrína sú častice hmoty, ale existujú aj antihmotové neutrína, nazývané antineutrína. A to vedie k veľmi dôležitej otázke. Neutrína oscilujú, ale oscilujú aj antineutríny a oscilujú presne rovnakým spôsobom ako neutrína? Odpoveď na prvú otázku je áno, zatiaľ čo odpoveď na druhú otázku nie je známa.
Zoberme si to trochu plnšie, ale zjednodušene: Predpokladajme, že existovali iba dva neutrínové typy - mión a elektrón. Predpokladajme ďalej, že ste mali lúč čisto miónových neutrín. Neutrína kmitá pri určitej rýchlosti a keďže sa pohybujú blízko rýchlosti svetla, kmitajú v závislosti od vzdialenosti od miesta, kde boli vytvorené. Lúč čistých miónových neutrín bude v určitej vzdialenosti vyzerať ako zmes typov miónov a elektrónov, potom čisto elektrónových typov v inej vzdialenosti a potom späť iba na mióny. Antihmotové neutrína robia to isté.
Ak by však neutrína hmoty a antihmoty oscilovali mierne odlišnou rýchlosťou, očakávali by ste, že keby ste boli pevne vzdialení od bodu, v ktorom bol vytvorený lúč čistých miónových neutrín alebo miónových antineutrín, potom by ste v neutrínovom prípade videli jedna zmes miónových a elektrónových neutrín, ale v prípade antihmotového neutrína by ste videli inú zmes antihmotného miónu a elektrónových neutrín. Skutočná situácia je komplikovaná skutočnosťou, že existujú tri druhy neutrín a oscilácia závisí od energie lúča, ale toto sú veľké myšlienky.
Pozorovanie rôznych frekvencií kmitania neutrínami a antineutrínami by bolo dôležitým krokom k pochopeniu skutočnosti, že vesmír je vyrobený z hmoty. Nie je to celý príbeh, pretože sa musia zachovať aj ďalšie nové javy, ale rozdiel medzi neutrínami hmoty a antihmoty je potrebný na vysvetlenie, prečo je vo vesmíre viac hmoty.
V súčasnej prevládajúcej teórii opisujúcej neutrínové interakcie existuje premenná, ktorá je citlivá na možnosť, že neutrína a antineutrína oscilujú odlišne. Ak je táto premenná nula, dva typy častíc oscilujú rovnakou rýchlosťou; ak sa táto premenná líši od nuly, dva typy častíc oscilujú odlišne.
Keď T2K merala túto premennú, zistili, že je to v rozpore s hypotézou, že neutrína a antineutrína oscilujú rovnako. Trochu viac technicky určili rozsah možných hodnôt pre túto premennú. Existuje 95-percentná šanca, že skutočná hodnota pre túto premennú je v tomto rozsahu, a iba 5-percentná šanca, že skutočná premenná je mimo tohto rozsahu. Hypotéza „žiadny rozdiel“ je mimo 95% rozsahu.
Zjednodušene povedané, súčasné meranie naznačuje, že neutrína a antihmota neutrína oscilujú odlišne, hoci istota sa nezvýši na úroveň, aby mohla urobiť definitívne tvrdenie. Kritici v skutočnosti poukazujú na to, že merania s touto úrovňou štatistickej významnosti by sa mali vnímať veľmi, veľmi skepticky. Je to však určite nesmierne provokatívny počiatočný výsledok a svetová vedecká komunita má mimoriadny záujem o zlepšenie a presnejšie štúdie.
Experiment T2K bude pokračovať v zaznamenávaní ďalších údajov v nádeji, že dôjde k definitívnemu meraniu, ale nie je to jediná hra v meste. Vo Fermilabe, ktorý sa nachádza mimo Chicaga, podobný experiment s názvom NOVA natáča neutrína aj neutrína antihmoty do severnej Minnesoty v nádeji, že porazí T2K. A pri pohľade na budúcnosť sa Fermilab usilovne snaží o to, čo bude jeho vlajkovým experimentom, ktorý sa volá DUNE (experiment hlbokého podzemného neutrínu), ktorý bude mať oveľa lepšie schopnosti študovať tento dôležitý fenomén.
Aj keď výsledok T2K nie je definitívny a je potrebná opatrnosť, je to určite dráždivé. Vzhľadom na obrovskú otázku, prečo sa zdá, že náš vesmír nemá výrazný antihmota, bude svetová vedecká komunita s nadšením čakať na ďalšie aktualizácie.
