Kosmoloogia

Miks koosneb universum ainest ja mitte antiainest? Uus katse annab ahvatleva vihje.

2025

Teadlased, kes tulistavad läbi Maa neutriinosid, võivad astunud korraliku sammu vastama ühele kõige elementaarsemale ja raskendavale küsimusele, mille Universum meile on esitanud: miks on kõik valmistatud ainest ja mitte antiainest?

Oh, sa tead seda terminit antiaine . Põhiline ulme, sealhulgas Star Trek , see on sama mis mateeria, kuid vastupidise elektrilaenguga. Seega on antielektronil, mida nimetatakse positroniks, kõik täpselt samad omadused kui elektronil, kuid negatiivse laengu asemel on sellel positiivne elektrilaeng. Antiprooton on nagu prooton, kuid negatiivse laenguga jne.

mad max fury tee vanemate juhend

Antimaterjali teine lõbus omadus on see, et kui te võtate osakese ja selle osakeste vastase ning koondate need kokku, põrutage. Suur, suur pauk: nad muudavad puhta energia. A palju energiast. Kui ma kohtun anti-Philiga ja me otsustame tantsida, siis plahvatame sama energiaga kui 3500 ühemegatonnilist tuumarelva .

Antiaine ei ole kuri, aga sa ei taha seda mateeriaga kokku saada. Krediit: Phil Plait

Ja see on probleem (peale reivi rikkumise). Näete, vastavalt meie mõistetavatele füüsikaseadustele, kui Universum oli väga noor - vaid mõne minuti vanune - ja selle temperatuur laienedes piisavalt langes , oleks see pidanud looma võrdses koguses ainet ja antiainet.

Aga kui see oleks tõsi, oleks iga osake oma antiosakestega kokku puutunud ja ka süüdistada . Kosmoses ei tohiks üldse olla ainet ega antimaterjali. Nad oleksid kõik hävitatud. Ja ometi oleme siin.

Tegelikult ei olnud need kaks võrdsed. Iga miljardi aine-/antiaineosakeste paari kohta jäi üks aineosake järele. Mitte palju, kuid piisavalt, et võtta arvesse kõiki galaktikaid, tähti, planeete, inimesi ja Earl Grey tee tasse, mida me täna näeme pärast kõigi teiste paaride hävitamist.

Aga miks? Miks asümmeetria?

Peab olema nii, et meie mateeria/antiaine sümmeetriaseadusi rikutakse kuidagi, aga antiainet mitte täpselt nagu asi mingil moel. Aga mis?

Teadlased on seda asümmeetriat otsinud pikka aega . Üksikasjalik füüsika on huvitav - DAEδALUS katse saidil on sellele fantastiline seletus - aga te ei vaja seda kõike, et mõista järgmist bitti, mida teadlased selle leidmiseks teevadki.

Olgu, lähme korraks siia kõrvalreisile. On veel ühte tüüpi aatomi osakesi, mida nimetatakse neutriinoks. Sellel on palju kummalisi omadusi, näiteks võime läbida palju tavalist ainet, nagu poleks seda seal; see lihtsalt ei suhtle mateeriaga palju. Pisike, aga mitte palju. Neid on ka kolmes erinevas maitses, mida nimetatakse müoniks, elektroniks ja tau neutriinoks. Üks neutrino liik võib kosmoses liikudes spontaanselt muutuda teiseks.

Ja põhjus, miks ma neid siin mainin, on see, et kui te vaatate läbi uskumatult keerukaid võrrandeid, mis reguleerivad neutriinosid ja nende antiaine ekvivalente, leiate vihje, et need ei pruugi toimida samamoodi. Seal võib tõepoolest asümmeetria olla, mistõttu teadlased on oma jõupingutused koondanud.

Ja siit jõuamegi väga huvitava osa juurde: Teadlased T2K koostöö just teatas nad võisid mõõta seda sümmeetria rikkumist neutriinodes . Tulemused ei ole kindlad, kuid väga huvitavad.

Katse hõlmab müoonneutriinode tala loomist ja selle vallandamist Jaapani prootonkiirendi uurimiskompleksist (JPARC) läbi tahke Maa 295 kilomeetri kaugusel kuni Super-Kamiokande neutriinodetektorini.

Nad teevad seda, kiirendades prootoneid süsinikuprooviks, mis seejärel paiskab välja müonneutriinod talas, mis on suunatud Super-Kamiokandele. Kui nad millisekundi hiljem (!!) sinna jõuavad, löövad väga -väga vähesed neist neutriinodest aatomit paagis hoitud 50 000 tonni ülipuhast vett ja luua müon, veel üks osakeste tüüp. Enamik neutriinosid läbib siiski otse, mistõttu on tulemuste saamiseks kulunud 20 aastat süsinikku prootonitega.

Kuid mõned neist muudavad maitset, muutudes elektron neutriinod selle lühikese aja jooksul enne veepaaki jõudmist. Kui see juhtub, tabavad nad paagi aatomeid ja loovad müoni asemel elektroni.

Samuti saab JPARC luua müoni anti samuti neutriinod. Sama juhtub: mõned teevad mahutisse müone ja mõned muutuvad elektronide antineutriinodeks ja tekitavad elektrone.

Antimaterjali leidmine on lihtne, kui teate vihjeid, mida otsida. Krediit: Shutterstock / Phil Plait

Kui aine/antiaine sümmeetria kehtib, peaks müoonide ja neutriinode tekitatud elektronide suhe olema sama, mis antineutriinode puhul. Kuid nad leidsid, et see suhe näib olevat erinev! Muoni neutriinod näivad muutuvat elektronneutriinodeks rohkem kui nende antiaine vastased.

Väga suur, kui see on tõsi.

Kas füüsikaseadused eristavad ainet ja antiainet? See katse viitab sellele, et vastus on jaatav. Probleem on selles, et see pole lõplik. Kuldstandard on see, et statistiliselt on teil tulemuse suhtes 99,7% usaldus (seda nimetatakse 5-sigma standardiks). Sellel tulemusel on vähe tulemusi, mis annab statistilise kindluse 'ainult' 95% (3 sigmat). See on väga provokatiivne, kuid mitte konkreetne ja seda ei saa veel avastuseks nimetada.

Oh, aga see on niiiii ahvatlev.

maja, mille seintes on kell

Kuradites võrrandites, mis reguleerivad neutriino käitumist, on test parameeter delta-CP; kui mateeria ja antimaterjali vahel on erinevus, on see selles arvus. See võib teoreetiliselt võtta palju väärtusi, kuid see eksperiment näib praktikas välistavat umbes pooled neist. See kitseneb just seal, kus teadlased peavad võrranditest vaatama, kuidas Universum käitub, miks ta eelistab ainet antiainele. Tööd on vaja teha palju rohkem, kuid need tulemused näivad vähemalt viitavat mingisse suunda, mida on rohkem kui meil varem.

Ja hei: Mööda mõistmist lihtsalt miks kosmosele meeldib üks osake teisest, võime aru saada kuidas teha üks teisele. Ja siis kes teab, kuhu saame julgelt minna?