Standardmodellen for partikelfysik har været det dominerende middel til at forklare, hvad de grundlæggende byggesten for materien er, og hvordan de interagerer i årtier. Først foreslået i 1970'erne hævder modellen, at der for hver oprettede partikel er en antipartikel. Som sådan er et vedvarende mysterium, som denne model udgør, hvorfor universet kan eksistere, hvis det teoretisk består af lige dele af stof og antimaterie.
Denne tilsyneladende ulighed, kendt som CP-overtrædelsen (CP), har været genstand for eksperimenter i mange år. Men indtil videre er der ikke foretaget nogen definitiv demonstration for denne krænkelse, eller hvor meget stof der kan eksistere i universet uden dens modstykke. Men takket være nye fund frigivet af det internationale Tokai-til-Kamioka (T2K) -samarbejde, er vi muligvis et skridt tættere på at forstå, hvorfor denne forskel eksisterer.
Først observeret i 1964 foreslår CP-overtrædelse, at under bestemte betingelser gælder lovene for ladningssymmetri og paritetssymmetri (også CP-symmetri) ikke gældende. Disse love siger, at fysikken, der styrer en partikel, skal være den samme, hvis den blev udskiftet med dens antipartikel, mens dens rumlige koordinater ville blive omvendt. Fra denne observation fremkom en af de største kosmologiske mysterier.
Hvis lovene om materie og antimaterie er de samme, hvorfor er det så, at universet er så materiedomineret? Alternativt, hvis materie og antimaterie er grundlæggende forskellige, hvordan er det så i overensstemmelse med vores forestillinger om symmetri? Besvarelse af disse spørgsmål er ikke kun vigtigt, når det gælder vores overvejende kosmologiske teorier, de er også iboende for at forstå, hvordan de svage interaktioner, der styrer partikler, fungerer.
Etableret i juni 2011, er det internationale T2K-samarbejde det første eksperiment i verden, der er dedikeret til at besvare dette mysterium ved at studere neutrino- og anti-neutrino-svingninger. Eksperimentet begynder med, at der genereres høje intensitetsstråler af muonneutrinoer (eller muon-anti-neutrinoer) ved det japanske Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), der derefter fyres mod Super-Kamiokande detektor 295 km væk.
Denne detektor er i øjeblikket en af verdens største og mest sofistikerede, dedikeret til detektion og undersøgelse af solenergi og atmosfæriske neutrinoer. Når neutrinoer rejser mellem de to faciliteter, ændrer de “smag” - går fra muonneutrinoer eller anti-neutrino til elektronneutrino eller anti-neutrino. Ved overvågning af disse neutrino- og anti-neutrino-stråler følger eksperimentet for forskellige svingningshastigheder.
Denne forskel i svingning ville vise, at der er en ubalance mellem partikler og antipartikler og således give det første endelige bevis for CP-krænkelse for første gang. Det ville også indikere, at der er fysik ud over standardmodellen, som forskere endnu ikke har til at undersøge. I april sidste år blev det første datasæt produceret af T2K frigivet, hvilket gav nogle fortællende resultater.
Som Mark Hartz, en T2K-samarbejdspartner og Kavli IPMU-projektassistent, sagde i en nylig pressemeddelelse:
”Mens datasættene stadig er for små til at afgive en endelig erklæring, har vi set en svag præference for stor CP-krænkelse, og vi er glade for at fortsætte med at indsamle data og foretage en mere følsom søgning efter CP-krænkelse.”
Disse resultater, der for nylig blev offentliggjort i Fysiske gennemgangsbreve, inkluderer alle datakørsler fra januar 2010 til maj 2016. I alt omfattede disse data 7.482 x 1020 protoner (i neutrino-tilstand), som gav 32 elektronneutrino- og 135 muon-neutrinohændelser og 7.471 × 1020 protoner (i antineutrino-tilstand), som gav 4 elektron anti-neutrino og 66 muon neutrino begivenheder.
Med andre ord har den første batch af data leveret noget bevis for CP-krænkelse og med et konfidensinterval på 90%. Men dette er bare begyndelsen, og eksperimentet forventes at køre i yderligere ti år, før det pakkes sammen. "Hvis vi er heldige, og CP-krænkelseseffekten er stor, kan vi forvente 3 sigma-beviser eller ca. 99,7% konfidensniveau for CP-krænkelse inden 2026," sagde Hartz.
Hvis eksperimentet viser sig at være vellykket, kan fysikere endelig kunne svare på, hvordan det er, at det tidlige univers ikke udslettede sig selv. Det er sandsynligvis hjælp til at afsløre aspekter af universet, som partikelfysikere er ivrige efter at komme ind i! For det her, at svarene på universets dybeste hemmeligheder, ligesom hvordan alle dets grundlæggende kræfter passer sammen, sandsynligvis findes.
