Kosmologi

Hvorfor er universet lavet af stof og ikke antimateriale? Nyt eksperiment giver et pirrende antydning.

2024

Forskere skyder neutrinoer gennem Jorden kan har taget et anstændigt skridt mod at besvare et af de mest grundlæggende og skærpende spørgsmål, universet har kastet over os: Hvorfor er alt lavet af stof og ikke antimateriale?

Åh, du kender udtrykket antimateriale . Et hæfteklammer til sci-fi, herunder Star Trek , det er det samme som stof, men med en modsat elektrisk ladning. Så en anti-elektron, kaldet en positron, har alle de nøjagtig samme egenskaber som en elektron, men har en positiv elektrisk ladning i stedet for en negativ. En antiproton er som en proton, men med en negativ ladning og så videre.

En anden sjov egenskab ved antimateriale er, at hvis du tager en partikel og dens antipartikel og bringer dem sammen, skal du slå. Big, big bang: De konverterer til ren energi. EN masse af energi. Hvis jeg mødte anti-Phil, og vi besluttede at danse, ville vi eksplodere med den samme energi som 3.500 en-megaton atomvåben .

Antimateriale er ikke ondt, men du vil ikke have det sammen med stof. Kredit: Phil Plait

Og det er et problem (udover at ødelægge en rave). Du ser ifølge fysikkens love, som vi forstår dem, da universet var meget ungt - kun få minutter gammelt - og temperaturen faldt nok, da den udvidede sig , det burde have skabt lige store mængder stof og antimateriale.

Men hvis det var sandt, ville hver partikel have mødt sin antipartikel, og ka blam . Der burde slet ikke være noget stof eller antimateriale i kosmos. De ville alle have udslettet. Og alligevel er vi her.

I virkeligheden var de to ikke lige. For hver milliard eller deromkring par af stof/antimateriepartikler var der én stofpartikel tilbage. Ikke meget, men nok til at redegøre for alle de galakser, stjerner, planeter, mennesker og kopper Earl Grey -te, vi ser i dag, efter at alle de andre par blev udslettet.

Men hvorfor? Hvorfor asymmetrien?

Det må være, at vores love om stof/antimaterie symmetri på en eller anden måde overtrædes, at antimaterie ikke er det Nemlig kan lide stof på en eller anden måde. Men hvad?

Forskere har søgt efter denne asymmetri i lang tid . Den detaljerede fysik er interessant - der er en fantastisk forklaring på dette på DAEδALUS -eksperimentstedet - men du behøver ikke det hele for at forstå den næste bit, hvilket er, hvad forskere gør for at finde den.

alice gennem skueglasset aldersvurdering

OK, lad os tage en sidetur her et øjeblik. Der er en anden form for subatomær partikel kaldet en neutrino. Det har en masse mærkelige egenskaber, som at være i stand til at passere en masse normalt stof, som om det ikke er der; det interagerer bare ikke meget med sagen. En lille smule, men ikke meget. De findes også i tre forskellige varianter, kaldet muon, elektron og tau neutrinoer. En slags neutrino kan spontant transformere til en anden slags, når den bevæger sig gennem rummet.

Og grunden til, at jeg nævner dem her, er, at når du går igennem de utroligt komplekse ligninger, der styrer neutrinoer og deres antimaterialeækvivalenter, finder du et hint om, at de måske ikke handler det samme. Der kan faktisk være en asymmetri der, så det er her forskere har koncentreret deres indsats.

Og her kommer vi til den meget interessante del: Forskere med T2K -samarbejdet netop annonceret de kan have målt denne symmetri krænkelse i neutrinoer . Resultaterne er ikke bundsolid, men de er meget interessante.

Eksperimentet indebærer at oprette en stråle af muonneutrinoer og affyre den fra Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) gennem den faste jord 295 kilometer væk til Super-Kamiokande neutrino-detektoren.

hvorfor kommer mænd tilbage efter ingen kontakt

De gør dette ved at accelerere protoner til en prøve af kulstof, som derefter udspyder muonneutrinoer i en stråle, der er rettet mod Super-Kamiokande. Når de kommer der et millisekund senere (!!) vil et meget, meget få af disse neutrinoer ramme et atom i de 50.000 tons suverænt rent vand, der er lagret i en tank og opret en muon, endnu en type partikel. De fleste neutrinoer passerer dog lige igennem, og derfor har det taget 20 år at smække kul med protoner for at få resultater.

Men nogle af dem ændrer smag og bliver elektron neutrinoer på den korte tid, før de kommer til vandtanken. Når det sker, rammer de atomerne i tanken og opretter en elektron i stedet for en muon.

JPARC kan også oprette muon anti neutrinoer også. Det samme sker: Nogle laver muoner i tanken, og nogle skifter til elektronantineutrinoer og laver elektroner.

Det er let at finde antimateriale, hvis du kender de spor, du skal kigge efter. Kredit: Shutterstock / Phil Plait

Hvis materie/antimaterie -symmetri holder, skal forholdet mellem muoner og elektroner genereret af neutrinoer være det samme som for antineutrinoer. Men hvad de fandt ud af er, at forholdet ser ud til at være anderledes! Muonneutrinoer ser ud til at blive til elektronneutrinoer mere end deres antimateriale modparter gør.

Meget stort, hvis det er sandt.

Skelner fysikkens love mellem stof og antimateriale? Dette eksperiment antyder, at svaret er ja. Problemet er, at det ikke er endegyldigt. Guldstandarden er, at du statistisk set har 99,7% tillid til et resultat (kaldet 5-sigma-standarden). Dette resultat har et lavt antal resultater, hvilket giver en statistisk sikkerhed på 'kun' 95% (3 sigma). Det er meget provokerende, men ikke konkret, og kan ikke kaldes en opdagelse endnu.

Åh, men det er såååå pirrende.

I de djævelske ligninger, der styrer den neutrinoadfærd, der testes, er en parameter kaldet delta-CP; hvis der er en forskel mellem stof og antimateriale, er det i det tal. Det kan antage mange værdier i teorien, men dette eksperiment ser ud til at udelukke omkring halvdelen af dem i praksis. Det indsnævrer lige dér, hvor forskere skal kigge i ligningerne for at se, hvordan universet opfører sig, hvorfor det foretrækker materie frem for antimateriale. Der er brug for meget mere arbejde, men disse resultater synes i det mindste at pege i en retning, der er mere, end vi havde før.

Og hey: Undervejs med at forstå bare hvorfor kosmos kan lide en slags partikel frem for en anden, kan vi finde ud af hvordan at lave det ene frem for det andet. Og hvem ved så, hvor vi modigt kan tage hen?