Et af de store spørgsmål, der er tilbage om vores univers, er, hvorfor der er mere stof end antimaterie.
(Billede: © GiroScience / Shutterstock.com)
Vi er muligvis et stort skridt tættere på at knække et af universets største og mest grundlæggende mysterier.
Forskere mener, at det, da universet blev født for næsten 14 milliarder år siden, indeholdt lige store mængder stof og dets bizarro-modstykke, antimatter. Antimaterielle partikler har den samme masse som deres "normale" kusiner, men modsatte elektriske ladninger. Den måske mest berømte sådan duo er elektronet (normal, negativt ladet) og positron (antimaterie, positivt ladet).
Når stoffer og antimaterielle partikler kolliderer, udslettes de med perfekt effektivitet og omdannes til 100% ren energi. (Dette praktiske faktum er grunden til, at sci-fi-forfattere elsker at sætte materie-antimaterielle motorer på deres stjerneskibe.)
Og deri ligger mysteriet: Hvis der var et lige så stort antal partikler og antipartikler ved universets fødsel, skulle de alle have fundet og udslettet hinanden og efterladt vores kosmos fuldstændig beredt for hinanden. Men det skete tydeligvis ikke, som din eksistens tydeligt viser. Det endte med at det var et lille overskud af stof over antimaterie - bareen enkelt partikel pr. milliard stof-antimaterielle par.
Fysikere har samlet nogle ledetråde om dette overskydende-mysterium i årenes løb. For eksempel regnede de ud i 1960'erne med, at kvarker og antikvægter ikke opfører sig på nøjagtig samme måde. Men denne overtrædelse af "ladningskonjugationsparitet-reverseringssymmetri" eller CP-symmetri for kort var ikke væsentlig nok til at forklare forskellen mellem materie-antimateriale.
En anden type overtrædelse af symmetri kan imidlertid være. Når alt kommer til alt er kvarker - byggestenene til protoner og neutroner - ikke de eneste subatomære partikler derude. De har slægtninge kendt som leptoner, en kategori, der inkluderer elektroner, muoner, taupartikler og neutrinoer. (Kvarker og leptoner er på sin side fermioner, en af de to hovedkategorier af subatomære partikler. Den anden kategori er bosoner, der inkluderer kraftbærende partikler såsom foton, gluon, Higgs og det endnu ikke bekræftede graviton.)
En ny undersøgelse kiggede hårdt efter tegn på overtrædelse af CP-symmetri i neutrinoer og kom med nogle spændende resultater. Dataene stammer i vid udstrækning fra T2K-projektet, der genererer stråler af neutrinoer eller antineutrino, afhængigt af den eksperimentelle opsætning, ved Japan Proton Accelerator Research Complex i byen Tokai.
Langt de fleste af strålepartiklerne zoomer gennem Jorden som vores planet ikke engang er der. (Neutrinos, der kaldes "spøgelsespartikler", er underlige på den måde.) Men nogle få bliver markeret af en underjordisk detektor ved Kamioka Observatory, 295 kilometer (295 kilometer) fra Tokai. Denne detektor er en tank fyldt med 55.000 tons (50.000 tons) meget rent vand. Når en neutrino interagerer med et neutron i tanken, kan der produceres en muon eller en elektron. Og følsomt udstyr samler disse sekundære partikler op.
Sådanne afsløringer indeholder en masse information. Når neutrinoer rejser, svinger de for eksempel mellem tre forskellige "smagsstoffer": elektron, muon og tau. (Ja, smagsnavne er forvirrende, i betragtning af at elektron, muon og tau også er moniker for forskellige partikler. Men partikelfysik er forvirrende!) Og smagstypen bestemmer, hvilken sekundær partikel der produceres under en kollision med en neutron.
T2K-samarbejdet analyserede data indsamlet af projektet fra 2009 til 2018 samt observationer fra lignende eksperimenter. I den nye undersøgelse, der blev offentliggjort online i dag (15. april) i tidsskrift Nature, rapporterer forskerne, at de fandt bevis for, at neutrinoer og antineutrinoer svinger på forskellige måder.
"Resultaterne udelukker konservering af CP (det vil sige, de antyder, at CP-krænkelse har fundet sted) på et 95% tillidsniveau, og viser, at den CP-krænkende parameter sandsynligvis vil være stor," har fysikerne Silvia Pascoli og Jessica Turner - University of Durham i England og henholdsvis det amerikanske energiministerium Fermilab i Illinois - skrev i et ledsagende stykke "News & Views" i samme nummer af Nature.
"Disse resultater kunne være de første indikationer på oprindelsen af sagen - antimateriell asymmetri i vores univers," tilføjede Pascoli og Turner, som ikke var involveret i den nye forskning.
For at være tydelige: Resultaterne i sig selv er ikke en overbevisende demonstration af CP-krænkelse med neutrinoer og antineutrino.
"Vi ser en indikation," fortalte studieforfatter Atsuko K. Ichikawa fra Kyoto University i Japan til Space.com via e-mail. "Det nuværende resultat er et vigtigt skridt til at observere overtrædelse af CP."
At tage det næste trin vil kræve flere data, understregede Ichikawa. Men der er gode nyheder på denne front: Flere næste generations neutrino-eksperimenter findes allerede i værkerne. For eksempel blev Japans T2HK, der vil ligner men mere magtfuld end T2K, officielt grønbelyst i februar, bemærkede Pascoli og Turner. Og Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), der vil beskæftige en bjælke ved Fermilab og detektorer der og i South Dakota, er planlagt at komme online i midten af 2020'erne.
T2HK og DUNE vil "levere komplementære teknikker og målinger," skrev Pascoli og Turner. "De vil sandsynligvis give os et definitivt svar i søgen efter CP-krænkelse i de næste 15 år."
- De 18 største uløste mysterier inden for fysik
- Lasereksperiment hjælper med at afsløre antimateriets mysterium
- Første solide tegn på, at sagen ikke opfører sig som antimaterie
