I början universum, strax efter Big Bang,roll' och 'antimateria' existerade båda i lika stor mängd. Men av de hittills okända skälen,roll' dominerar nuet universum. T2K-forskarna har nyligen visat förekomsten av en möjlig Charge-Parity-överträdelse i neutrino och motsvarande anti-neutrino-oscillationer. Detta är ett steg framåt för att förstå varför roll dominerar universum.
Big Bang (som inträffade för cirka 13.8 miljarder år sedan) och andra relaterade fysikteorier tyder på att de tidiga universum var strålningen "dominerande" ochroll' och den 'antimateria' existerade i lika stor mängd.
Men universum som vi vet idag är "materia" dominerande. Varför? Detta är ett av de mest spännande mysterierna universum. (1).
Smakämnen universum som vi vet idag började med lika mängder 'materia' och 'antimateria', båda skapades i par som naturlagen skulle kräva och förintades sedan upprepade gånger och producerade strålning känd som 'kosmisk bakgrundsstrålning'. Inom cirka 100 mikrosekunder efter Big Bang började materia (partiklar) på något sätt överstiga antipartiklar med säg en på varje miljard och inom några sekunder förstördes all antimateria, vilket bara lämnade kvar materia.
Vilken är den process eller mekanism som skulle skapa denna typ av skillnad eller asymmetri mellan materia och antimateria?
1967 postulerade den ryske teoretiske fysikern Andrej Sacharov tre villkor som var nödvändiga för att en obalans (eller produktion av materia och antimateria i olika hastigheter) skulle uppstå i universum. Första Sacharovvillkoret är baryonnumret (ett kvanttal som förblir bevarat i en interaktion). Det betyder att protoner sönderföll extremt långsamt till lättare subatomära partiklar som en neutral pion och en positron. På samma sätt sönderföll en antiproton till en pion och en elektron. Det andra villkoret är överträdelsen av laddningskonjugationssymmetri, C, och laddningskonjugations-paritetssymmetri, CP även kallad Charge-Parity violation. Det tredje villkoret är att processen som genererar baryonasymmetri inte får vara i termisk jämvikt på grund av snabb expansion som minskar förekomsten av parförintelse.
Det är Sacharovs andra kriterium för CP-kränkning, som är ett exempel på en sorts asymmetri mellan partiklar och deras antipartiklar som beskriver hur de sönderfaller. Genom att jämföra hur partiklar och antipartiklar beter sig, det vill säga hur de rör sig, interagerar och sönderfaller, kan forskare hitta bevis på den asymmetrin. CP-kränkningen ger ett bevis på att vissa okända fysiska processer är ansvariga för den differentiella produktionen av materia och antimateria.
De elektromagnetiska och "starka interaktionerna" är kända för att vara symmetriska under C och P, och följaktligen är de också symmetriska under produkten CP (3). ''Detta är dock inte nödvändigtvis fallet för den 'svaga interaktionen', som bryter mot både C- och P-symmetrierna'' säger prof. BA Robson. Han säger vidare att "kränkningen av CP i svaga interaktioner innebär att sådana fysiska processer kan leda till indirekt kränkning av baryonnummer så att materiaskapande skulle föredras framför antimateriaskapande". Icke-kvarkpartiklar uppvisar inga CP-kränkningar medan CP-kränkningen i kvarkar är för små och är obetydliga för att ha en skillnad i materia- och antimateriaskapande. Så, CP-kränkningen i leptoner (neutriner) blir viktig och om det bevisas så skulle det svara på varför universum är materia dominerande.
Även om CP-symmetribrott ännu inte har bevisats definitivt (1), men resultaten som rapporterats av T2K-teamet visar nyligen att forskare är verkligen nära det. Det har för första gången visat sig att övergången från partikel till elektron och neutrino gynnas framför övergången från antipartikel till elektron och antineutrino, genom mycket sofistikerade experiment vid T2K (Tokai till Kamioka) (2). T2K hänvisar till ett par laboratorier, Japanese Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) i Tokai och Super-Kamiokande underjordiska neutrinobservatorium i Kamioka, Japan, åtskilda av cirka 300 km. Protonacceleratorn vid Tokai genererade partiklarna och antipartiklarna från högenergikollisioner och detektorer vid Kamioka observerade neutrinerna och deras antimateriamotsvarigheter, antineutriner, genom att göra mycket exakta mätningar.
Efter analysen av flera års data vid T2K kunde forskare mäta parametern som kallas delta-CP, som styr CP-symmetribrottet i neutrinoscillation och fann missanpassningen eller en preferens för förbättring av neutrinohastigheten som så småningom kan leda till bekräftelsen av CP-överträdelse på sättet neutrinos och antineutrinos svängde. Resultaten som hittats av T2K-teamet är signifikanta vid statistisk signifikans av 3-sigma eller 99.7 % konfidensnivå. Det är en milstolpeprestation eftersom bekräftelse på CP-brott som involverar neutriner är kopplat till materiens dominans i universum. Ytterligare experiment med större databas kommer att testa om detta leptoniska CP-symmetribrott är större än CP-brott i kvarkar. Om det är så kommer vi äntligen att ha svaret på frågan Varför universum är materia dominerande.
Även om T2K-experimentet inte tydligt fastställer att CP-symmetribrott har inträffat, men det är en milstolpe i den meningen att det definitivt visar en stark preferens för ökad elektronneutronhastighet och tar oss närmare för att bevisa förekomsten av CP-symmetribrott och så småningom till svara 'varför universum är materia dominant'.
***
Referenser:
1. Tokyo University, 2020. ''T2K-resultat begränsar möjliga värden av Neutrino CP Phase -…..'' Pressmeddelande Publicerad 16 april 2020. Tillgänglig online på http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Tillträde den 17 april 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. Begränsning av den materia–antimateria symmetriöverträdande fasen i neutrinoscillationer. Naturvolym 580, sid 339–344(2020). Publicerad: 15 april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Asymmetriproblemet mellan materia och antimateria. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
