I det meget tidlige universkort efter Big Bang,noget' og 'antistoffet' eksisterede begge i lige store mængder. Men af de hidtil ukendte årsager,noget' dominerer nutiden univers. T2K-forskerne har for nylig vist forekomst af en mulig Charge-Parity-overtrædelse i neutrino og de tilsvarende anti-neutrino-oscillationer. Dette er et skridt fremad i at forstå hvorfor noget dominerer univers.
Big Bang (som fandt sted for omkring 13.8 milliarder år siden) og andre relaterede teorier om fysik tyder på, at den tidlige univers var stråling 'dominerende' og 'noget' og 'antistof' eksisterede i lige store mængder.
Men univers som vi ved i dag er 'materie' dominerende. Hvorfor? Dette er et af de mest spændende mysterier univers. (1).
univers som vi ved i dag startede med lige store mængder 'stof' og 'antistof', begge blev skabt i par, som naturloven ville kræve, og blev derefter tilintetgjort gentagne gange og producerede stråling kendt som 'kosmisk baggrundsstråling'. Inden for omkring 100 mikrosekunder efter Big Bang begyndte stoffet (partiklerne) på en eller anden måde at overstige antipartikler med f.eks. én ud af hver milliard, og inden for sekunder var al antistoffet ødelagt, hvilket kun efterlod stof.
Hvad er den proces eller mekanisme, der ville skabe denne form for forskel eller asymmetri mellem materien og antistof?
I 1967 postulerede den russiske teoretiske fysiker Andrei Sakharov tre betingelser, der er nødvendige for, at en ubalance (eller produktion af stof og antistof i forskellige hastigheder) kan opstå i univers. Første Sakharov-tilstand er baryontallet (et kvantetal, der forbliver bevaret i en interaktion) overtrædelse. Det betyder, at protoner henfaldt ekstremt langsomt til lettere subatomære partikler som en neutral pion og en positron. På samme måde henfaldt en antiproton til en pion og en elektron. Anden betingelse er krænkelsen af ladningskonjugationssymmetri, C, og ladningskonjugations-paritetssymmetri, CP også kaldet Charge-Parity violation. Tredje betingelse er, at den proces, der genererer baryon-asymmetri, ikke må være i termisk ligevægt på grund af hurtig ekspansion, hvilket mindsker forekomsten af par-annihilation.
Det er Sakharovs andet kriterium for CP-krænkelse, som er et eksempel på en slags asymmetri mellem partikler og deres antipartikler, der beskriver måden, de henfalder på. Ved at sammenligne den måde, partikler og antipartikler opfører sig på, dvs. måden de bevæger sig, interagerer og henfalder på, kan videnskabsmænd finde beviser for den asymmetri. CP-overtrædelsen giver et bevis på, at nogle ukendte fysiske processer er ansvarlige for den differentierede produktion af stof og antistof.
De elektromagnetiske og 'stærke vekselvirkninger' vides at være symmetriske under C og P, og de er derfor også symmetriske under produktet CP (3). ''Dette er dog ikke nødvendigvis tilfældet for den 'svage interaktion', som krænker både C- og P-symmetrierne'' siger prof. BA Robson. Han siger endvidere, at "krænkelsen af CP i svage interaktioner indebærer, at sådanne fysiske processer kan føre til indirekte krænkelse af baryonnummeret, så materieskabelse ville blive foretrukket frem for antistofskabelse". Ikke-kvark-partikler viser ingen CP-overtrædelser, hvorimod CP-krænkelsen i kvarker er for små og er ubetydelige til at have en forskel i stof- og antistofskabelse. Så CP-overtrædelsen i leptoner (neutrinoer) bliver vigtigt, og hvis det er bevist, vil det svare på, hvorfor univers er stof dominerende.
Selvom CP-symmetriovertrædelse endnu ikke er blevet bevist endeligt (1), men resultaterne rapporteret af T2K-teamet for nylig viser, at videnskabsmænd er virkelig tæt på det. Det er for første gang blevet påvist, at overgangen fra partikel til elektron og neutrino favoriseres frem for overgangen fra antipartikel til elektron og antineutrino gennem meget sofistikerede eksperimenter ved T2K (Tokai til Kamioka) (2). T2K refererer til et par laboratorier, det japanske Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) i Tokai og Super-Kamiokande underjordiske neutrino observatorium i Kamioka, Japan, adskilt af omkring 300 km. Protonacceleratoren ved Tokai genererede partiklerne og antipartiklerne fra højenergikollisioner, og detektorer ved Kamioka observerede neutrinoerne og deres antistof-modstykker, antineutrinoer ved at lave meget præcise målinger.
Efter analysen af flere års data på T2K, var forskerne i stand til at måle parameteren kaldet delta-CP, som styrer CP-symmetrien i neutrinoscillation, og fandt mismatchen eller en præference for forbedring af neutrinohastigheden, som i sidste ende kan føre til bekræftelsen af CP-overtrædelse i den måde, neutrinoer og antineutrinoer svingede på. Resultaterne fundet af T2K-teamet er signifikante ved statistisk signifikans på 3-sigma eller 99.7 % konfidensniveau. Det er en milepælspræstation, da bekræftelse af CP-overtrædelse, der involverer neutrinoer, er forbundet med stoffets dominans i univers. Yderligere eksperimenter med større database vil teste, om denne leptoniske CP-symmetriovertrædelse er større end CP-krænkelse i kvarker. Hvis det er tilfældet, vil vi endelig have svaret på spørgsmålet Hvorfor univers er stof dominerende.
Selvom T2K-eksperimentet ikke tydeligt fastslår, at CP-symmetriovertrædelse har fundet sted, men det er en milepæl i den forstand, at det endegyldigt viser en stærk præference for øget elektronneutronhastighed og bringer os tættere på at bevise forekomsten af CP-symmetriovertrædelser og til sidst til svar 'hvorfor univers er stof dominerende'.
***
Referencer:
1. Tokyo University, 2020. ''T2K-resultater begrænser mulige værdier af Neutrino CP Phase -…..'' Pressemeddelelse Udgivet 16. april 2020. Tilgængelig online på http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Tilgået den 17. april 2020.
2. T2K-samarbejdet, 2020. Begrænsning af den stof-antistof-symmetri-overskridende fase i neutrinoscillationer. Naturbind 580, side 339–344(2020). Udgivet: 15. april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. The Matter-Antimatter Asymmetri Problem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
