Kozmológia

Prečo je vesmír vytvorený z hmoty a nie z antihmoty? Nový experiment dáva dráždivú nápovedu.

2024

Vedci strieľajúci po Zemi môžu neutrína urobili slušný krok smerom k odpovedi na jednu z najzákladnejších a najťažších otázok, ktoré nám vesmír položil: Prečo je všetko vyrobené z hmoty a nie z antihmoty?

Ach, poznáš ten výraz antihmota . Základom sci-fi, vrátane Star Trek , je to to isté ako hmota, ale s opačným elektrickým nábojom. Antitrón, nazývaný pozitrón, má všetky rovnaké vlastnosti ako elektrón, ale má záporný elektrický náboj. Anti-protón je ako protón, ale s negatívnym nábojom atď.

oranžová je nový čierny ratingový vek

Ďalšou zábavnou vlastnosťou antihmoty je, že ak vezmete časticu a jej antičastice a spojíte ich, buch. Veľký, veľký tresk: Konvertujú sa na čistú energiu. A veľa energie. Ak by som stretol anti-Phila a rozhodli by sme sa tancovať, explodovali by sme s rovnakou energiou ako 3500 jedno megatonových jadrových zbraní .

Antihmota nie je zlá, ale nechcete ju dať dohromady s hmotou. Kredit: Phil Plait

A to je problém (okrem toho, že zničíte rave). Vidíte, podľa fyzikálnych zákonov, ako ich chápeme, keď bol vesmír veľmi mladý - len niekoľko minút starý - a jeho teplota pri expanzii dostatočne klesla , malo vytvoriť rovnaké množstvo hmoty a antihmoty.

Ale keby to bola pravda, každá častica by sa stretla so svojou antičasticou, a ka obviňovať . Vo vesmíre by nemala byť žiadna hmota ani antihmota. Všetci by boli zničili. A predsa sme tu.

V skutočnosti si títo dvaja neboli rovní. Na každú miliardu párov častíc hmoty/antihmoty pripadla jedna zvyšková častica hmoty. Nie veľa, ale dosť na to, aby zodpovedalo za všetky galaxie, hviezdy, planéty, ľudí a šálky čaju Earl Gray, ktoré dnes vidíme po zničení všetkých ostatných párov.

Ale prečo? Prečo asymetria?

Musí sa stať, že naše zákony hmoty/symetrie antihmoty sú nejakým spôsobom porušené, že antihmota nie je presne tak nejakým spôsobom ako hmota. Ale čo?

Vedci po tejto asymetrii pátrali už nejaký čas . Podrobná fyzika je zaujímavá - na experimentálnom mieste DAEδALUS je to fantastické vysvetlenie - ale nepotrebujete všetko, aby ste pochopili nasledujúci kúsok, čo vedci robia, aby to zistili.

Dobre, poďme sa tu na chvíľu pozrieť na výlet. Existuje ešte jeden druh subatomárnej častice, ktorý sa nazýva neutrino. Má veľa zvláštnych vlastností, ako je schopnosť prejsť mnohými bežnými hmotami, akoby tam nebola; jednoducho veľmi neinteraguje s hmotou. Trochu malé, ale nie veľa. Prichádzajú tiež v troch rôznych príchutiach, nazývaných miónové, elektrónové a tau neutrína. Pri cestovaní priestorom sa jeden druh neutrína môže spontánne transformovať na iný druh.

Dôvod, prečo ich tu uvádzam, je ten, že keď prejdete neuveriteľne zložitými rovnicami, ktorými sa riadia neutrína a ich ekvivalenty s antihmotou, zistíte, že nemusia pôsobiť rovnako. Asymetria tam skutočne môže byť, takže tam vedci sústredili svoje úsilie.

A tu sa dostávame k veľmi zaujímavej časti: Vedci s spolupráca T2K práve oznámené toto porušenie symetrie mohli zmerať v neutrínoch . Výsledky nie sú skalopevné, ale sú veľmi zaujímavé.

Experiment zahŕňa vytvorenie zväzku miónových neutrín a jeho odpálenie z výskumného komplexu Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) cez pevnú Zem vzdialenú 295 kilometrov k detektoru neutrín Super-Kamiokande.

Robia to tak, že urýchlia protóny na vzorku uhlíka, ktorý potom chrlí neutrony muónu v lúči zameranom na Super-Kamiokande. Keď sa tam dostanú o milisekundu neskôr (!!), veľmi málo z týchto neutrín zasiahne atóm v 50 000 ton vrcholne čistej vody uloženej v nádrži a vytvorte mión, ďalší typ častíc. Väčšina neutrín však prejde priamo, a preto trvalo 20 rokov buchnutím uhlíka protónmi, aby sa dosiahli akékoľvek výsledky.

Ale niektoré z nich menia chuť, stávajú sa elektrón neutrín za ten krátky čas, než sa dostanú do vodnej nádrže. Keď sa to stane, zasiahnu atómy v nádrži a namiesto miónu vytvoria elektrón.

tri billboardy mimo ubúdajúceho prevádzkového času v Missouri

JPARC môže tiež vytvárať mión anti aj neutrína. To isté sa stane: Niektorí vyrábajú v nádrži mióny a niektorí sa menia na elektrónové antineutrína a vyrábajú elektróny.

Nájdenie antihmoty je jednoduché, ak poznáte stopy, ktoré treba hľadať. Kredit: Shutterstock / Phil Plait

Ak platí symetria hmota/antihmota, potom by pomer miónov k elektrónom generovaným neutrínami mal byť rovnaký ako pre antineutrína. Ale zistili, že tento pomer sa zdá byť iný! Zdá sa, že muónové neutrína sa menia na elektrónové neutrína viac, ako ich protějšky z antihmoty.

Veľmi veľké, ak je to pravda.

Rozlišujú zákony fyziky hmotu a antihmotu? Tento experiment naznačuje, že odpoveď je áno. Problém je, že to nie je definitívne. Zlatým štandardom je, že štatisticky máte 99,7% dôveru vo výsledok (nazývaný štandard 5-sigma). Tento výsledok má nízky počet výsledkov, čo dáva štatistickú istotu „iba“ 95% (3 sigma). Je to veľmi provokatívne, ale nie konkrétne a zatiaľ sa to nedá nazvať objavom.

Ale je to tak tááák dráždivé.

V diabolských rovniciach, ktorými sa riadi testovanie neutrínového správania, je parameter nazývaný delta-CP; ak je rozdiel medzi hmotou a antihmotou, je to v tomto počte. Teoreticky môže nadobudnúť veľa hodnôt, ale zdá sa, že tento experiment v praxi vylučuje asi polovicu z nich. To sa zužuje práve tam, kde sa vedci musia pozrieť do rovníc, aby zistili, ako sa vesmír správa, prečo uprednostňuje hmotu pred antihmotou. Je potrebné vyvinúť oveľa viac práce, ale tieto výsledky prinajmenšom ukazujú smer, ktorým sa máme vydať, čo je viac, ako sme mali predtým.

A hej: Na ceste chápania len prečo kozmos má rád jeden druh častíc pred inými, môžeme prísť na to ako urobiť jedného nad druhým. A potom, kto vie, kam budeme môcť smelo ísť?