Znanstveniki uživajo v raziskovanju skrivnosti in čim večja je skrivnost, večje je navdušenje. V znanosti je veliko ogromno vprašanj brez odgovora, toda ko greš velik, je težko premagati "Zakaj obstaja nekaj namesto nič?"
To bi se morda zdelo filozofsko vprašanje, vendar je znanstveno preiskava zelo dovzetna. Nekoliko bolj konkretno navajam: "Zakaj je vesolje narejeno iz takšnih snovi, ki omogočajo človeško življenje, da si lahko celo postavimo to vprašanje?" Znanstveniki, ki izvajajo raziskave na Japonskem, so prejšnji mesec napovedali meritev, ki neposredno obravnava najbolj očarljive poizvedbe. Zdi se, da se njihova meritev ne strinja z najpreprostejšimi pričakovanji trenutne teorije in bi lahko odgovorila na odgovor na to brezčasno vprašanje.
Zdi se, da njihova meritev kaže, da za določen niz subatomskih delcev snov in antimaterija delujeta drugače.
Vprašanje proti antimateriji
S pomočjo pospeševalnika J-PARC, ki se nahaja v Tokaiju na Japonskem, so znanstveniki izstrelili snop duhovitih subatomskih delcev, imenovanih nevtrini, in njihovih protimikatov (antineutrinos) skozi Zemljo do eksperimenta Super Kamiokande, ki se nahaja v Kamioki, tudi na Japonskem. Ta poskus, imenovan T2K (Tokai do Kamiokande), je zasnovan tako, da ugotovi, zakaj je naše vesolje sestavljeno iz materije. Posebno vedenje nevtrinov, imenovano nevtino nihanje, bi lahko osvetlilo to zelo težavno težavo.
Vprašanje, zakaj je vesolje sestavljeno iz snovi, se morda sliši kot posebno vprašanje, vendar obstaja zelo dober razlog, da so znanstveniki nad tem presenečeni. Zato, ker znanstveniki poleg vednosti o obstoju materije poznajo tudi antimaterijo.
Leta 1928 je britanski fizik Paul Dirac predlagal obstoj antimaterije - antagonističnega sorodstva snovi. Združite enake količine snovi in antimaterije in se obe uničita, kar povzroči ogromno količino energije. In ker načela fizike ponavadi delujejo enako dobro v obratnem primeru, če imate ogromno količino energije, se lahko pretvori v popolnoma enake količine snovi in antimaterije. Antimatero je leta 1932 odkril Američan Carl Anderson, raziskovalci pa so imeli skoraj stoletje, da so preučevali njene lastnosti.
Vendar je ta fraza "v popolnoma enakih količinah" bistvo zagonetke. V kratkih trenutkih takoj po velikem udaru je bilo vesolje polno energije. Ko se je širila in hladila, bi se morala ta energija pretvoriti v enake dele snovi in antimaterijskih subatomskih delcev, kar bi bilo treba danes opaziti. In vendar je naše vesolje v bistvu v celoti sestavljeno iz materije. Kako je to lahko?
Znanstveniki so s štetjem števila atomov v vesolju in primerjavo s količino energije, ki jo vidimo, ugotovili, da "popolnoma enako" ni povsem v redu. Nekako, ko je bilo vesolje približno desetino trilijontine sekunde staro, so se zakoni narave vedno bolj mahnili v smeri materije. Na vsakih 3.000.000.000 delcev antimaterije je bilo 3 000 000,001 delcev materije. 3 milijarde delcev materije in 3 milijarde delcev antimaterije so se združile - in jih uničile nazaj v energijo, tako da je rahla snov presegala vesolje, ki ga vidimo danes.
Ker so to uganko razumeli pred skoraj stoletjem, so raziskovalci preučevali materijo in antimaterijo, da bi videli, ali bi lahko našli obnašanje v subatomskih delcih, ki bi razložili presežek materije. Prepričani so, da se snov in antimaterija izdelujeta v enakih količinah, opazili pa so tudi, da razred subatomskih delcev, imenovanih kvarki, kaže vedenje, ki malenkost daje prednost materiji pred antimaterijo. Ta posebna meritev je bila subtilna in je vključevala razred delcev, imenovanih K mezoni, ki se lahko pretvorijo iz materije v antimaterijo in spet nazaj. Obstaja pa majhna razlika pri pretvorbi snovi v antimaterijo v primerjavi z nasprotno. Ta pojav je bil nepričakovan in njegovo odkritje je privedlo do Nobelove nagrade za leto 1980, vendar obseg učinka ni bil dovolj, da bi razložil, zakaj v našem vesolju prevladuje materija.
Duhovne grede
Tako so znanstveniki preusmerili pozornost na nevtrine, da bi videli, ali njihovo vedenje lahko razloži odvečno snov. Nevtrini so duhovi subatomskega sveta. Če sodelujejo le s šibko jedrsko silo, lahko prehajajo skozi materijo, ne da bi pri tem skorajda sodelovali. Da bi dobili občutek obsega, nevtrini najpogosteje nastajajo v jedrskih reakcijah, največji jedrski reaktor okoli pa je Sonce. Za zaščito sebe pred polovico sončnih nevtrinov bi bila potrebna masa trdnega svinca približno 5 svetlobnih let v globino. Nevtrini resnično ne delujejo veliko.
Med letoma 1998 in 2001 je vrsta poskusov - eden z uporabo detektorja Super Kamiokande in drugi z uporabo SNO detektorja v Sudburyju v Ontariu - dokončno dokazal, da nevtrini kažejo tudi drugo presenetljivo vedenje. Spreminjajo identiteto.
Fiziki poznajo tri različne vrste nevtrinov, od katerih je vsak povezan z edinstveno subatomsko sorojenko, imenovano elektroni, muoni in tausi. Elektroni so tisto, kar povzroča elektriko, in delci mun in tau so zelo podobni elektronom, vendar težji in nestabilni.
Tri vrste nevtrinov, imenovane elektronski nevtrino, muonski nevtrino in tau nevtrino, lahko "preidejo" v druge vrste nevtrinov in spet nazaj. Takšno vedenje imenujemo nevtrino nihanje.
Nevtrino nihanje je edinstven kvantni pojav, vendar je približno analogno, da začnete s skledo vanilijevega sladoleda in, ko greste in najdete žlico, se vrnete in ugotovite, da je skledica pol vanilije in pol čokolade. Nevtrini spremenijo svojo identiteto iz popolnoma ene vrste, v mešanico tipov, v povsem drugačen tip in nato nazaj v prvotni tip.
Nihanja Antineutrino
Nevtrini so delci materije, obstajajo pa tudi nevtralizirani antimateri, imenovani antinevtrini. In to vodi do zelo pomembnega vprašanja. Nevtrini oscilirajo, toda ali tudi antinevtrini oscilirajo in ali oscilirajo povsem enako kot nevtrini? Odgovor na prvo vprašanje je pritrdilen, medtem ko odgovor na drugo ni znan.
Razmislimo o tem nekoliko bolj podrobno, vendar na poenostavljen način: Predpostavimo, da sta obstajala le dva nevtrino tipa - mun in elektrona. Predpostavimo, da ste imeli snop nevtinov vrste muon. Nevtrini oscilirajo z določeno hitrostjo, in ker se gibljejo blizu svetlobne hitrosti, oscilirajo kot funkcijo oddaljenosti od mesta, kjer so bili ustvarjeni. Tako bo žarek čistih muonskih nevtrinov izgledal kot mešanica tipov muon in elektronov na določeni razdalji, nato čisto tipi elektronov na drugi razdalji in nato nazaj samo v muon. Antimatrični nevtrini počnejo isto stvar.
Če pa snovi in protistrupi nevtrini oscilirajo z nekoliko različnimi hitrostmi, bi pričakovali, da če bi bili na določeni razdalji od točke, na kateri je bil ustvarjen snop čistih muonskih nevtrinov ali muonskih antinevtrinov, potem bi v primeru nevtrina videli eno mešanico muonskih in elektronskih nevtrinov, toda v primeru protitatričnega nevtrina bi videli drugačno mešanico antimatričnih muon in elektronskih nevtrinov. Dejansko stanje je zapleteno, ker obstajajo tri vrste nevtrinov in nihanje je odvisno od energije žarka, vendar so to velike ideje.
Opazovanje različnih frekvenc nihanja s strani nevtrinov in antinevtrinov bi bil pomemben korak k razumevanju dejstva, da je vesolje sestavljeno iz materije. Ne gre za celotno zgodbo, ker morajo potekati tudi dodatni novi pojavi, vendar je razlika med materijo in nevtraliziranimi antimaterijami nujna za razlago, zakaj je v vesolju več snovi.
V trenutni prevladujoči teoriji, ki opisuje nevtrino interakcijo, obstaja spremenljivka, ki je občutljiva na možnost, da nevtrini in antinevtrini oscilirajo različno. Če je ta spremenljivka nič, dve vrsti delcev nihata z enakimi hitrostmi; če se ta spremenljivka razlikuje od nič, obe vrsti delcev nihata različno.
Ko je T2K izmeril to spremenljivko, so ugotovili, da ni v skladu s hipotezo, da nevtrini in antinevtrini nihajo enako. Nekoliko bolj tehnično so določili obseg možnih vrednosti za to spremenljivko. Obstaja 95-odstotna možnost, da je resnična vrednost te spremenljivke v tem območju in le 5-odstotna možnost, da je resnična spremenljivka zunaj tega območja. Hipoteza "brez razlike" je zunaj območja 95 odstotkov.
Preprosteje povedano, trenutna meritev kaže, da nevtrini in nevtralizirani antimateri nevtino različno nihajo, čeprav se gotovost ne dvigne na raven, da bi lahko dokončno navedli. Kritiki pravzaprav opozarjajo, da je treba na meritve s to stopnjo statistične pomembnosti gledati zelo, zelo skeptično. Je pa zagotovo izredno provokativen začetni rezultat, svetovna znanstvena skupnost pa je izredno zainteresirana za izboljšanje in natančnejše študije.
Poskus T2K bo še naprej beležil dodatne podatke v upanju na dokončno meritev, vendar to ni edina igra v mestu. V Fermilabu, ki se nahaja izven Chicaga, podoben poskus, imenovan NOVA, strelja tako nevtrine kot nevtrase antimaterije v severno Minnesoto, v upanju, da bo T2K premagal na udarec. In Ferilib se, bolj gledajoč v prihodnost, zelo trudi nad tem, kaj bo njegov vodilni poskus, imenovan DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), ki bo imel veliko boljše sposobnosti za preučevanje tega pomembnega pojava.
Čeprav rezultat T2K ni dokončen in je potrebna previdnost, je vsekakor muka. Glede na obsežnost vprašanja, zakaj se zdi, da naše vesolje nima pomembne antimaterije, bo svetovna znanstvena skupnost z nestrpnostjo čakala na nove posodobitve.
