Forskere glæder sig over at udforske mysterier, og jo større mysteriet er, jo større er entusiasmen. Der er mange enorme ubesvarede spørgsmål inden for videnskab, men når du er i gang med det store, er det svært at slå "Hvorfor er der noget i stedet for intet?"
Det kan virke som et filosofisk spørgsmål, men det er meget, der er meget tilgængeligt for videnskabelig undersøgelse. Udtales lidt mere konkret: "Hvorfor er universet lavet af den slags stof, der gør menneskets liv muligt, så vi endda kan stille dette spørgsmål?" Forskere, der forsker i Japan, har annonceret en måling sidste måned, der direkte adresserer den mest fascinerende af forespørgsler. Det ser ud til, at deres måling er uenig i de enkleste forventninger til den aktuelle teori og meget vel kunne pege mod et svar på dette tidløse spørgsmål.
Deres måling ser ud til at sige, at for et bestemt sæt af subatomære partikler fungerer stof og antimateriale forskelligt.
Materie v. Antimatter
Ved hjælp af J-PARC-acceleratoren, der er placeret i Tokai, Japan, fyrede forskere en stråle af spøgelsesfulde subatomære partikler kaldet neutrinoer og deres antimaterielle kolleger (antineutrino) gennem Jorden til Super Kamiokande-eksperimentet, der ligger i Kamioka, også i Japan. Dette eksperiment, kaldet T2K (Tokai til Kamiokande), er designet til at bestemme, hvorfor vores univers er lavet af stof. En ejendommelig adfærd udstillet af neutrinoer, kaldet neutrino-svingning, kan kaste lys over dette meget irriterende problem.
At spørge, hvorfor universet er lavet af stof, kan lyde som et ejendommeligt spørgsmål, men der er en meget god grund til, at forskere er overrasket over dette. Det skyldes, at videnskabsmænd ud over at kende til materiens eksistens også kender antimateriale.
I 1928 foreslog den britiske fysiker Paul Dirac eksistensen af antimaterie - en antagonistisk søskende af stof. Kombiner lige store mængder stof og antimaterie, og de to ødelægger hinanden, hvilket resulterer i frigivelse af en enorm mængde energi. Og fordi fysikprincipper normalt fungerer lige så godt bagud, hvis du har en vidunderlig mængde energi, kan det omdannes til nøjagtigt lige store mængder stof og antimaterie. Antimatter blev opdaget i 1932 af amerikaneren Carl Anderson, og forskere har haft næsten et århundrede til at studere dens egenskaber.
Denne sætning "i nøjagtigt lige store mængder" er imidlertid kernen i conundrummet. I de korte øjeblikke umiddelbart efter Big Bang var universet fuld af energi. Da den ekspanderede og afkølet, skulle denne energi have omdannet til lige store dele stof og antimateriale subatomære partikler, som skulle kunne observeres i dag. Og alligevel består vores univers i det væsentlige udelukkende af materie. Hvordan kan det være?
Ved at tælle antallet af atomer i universet og sammenligne det med den mængde energi, vi ser, bestemte forskere, at "nøjagtigt lige" ikke er helt rigtigt. På en eller anden måde, når universet var omkring en tiendedel af en billion af et sekund gammelt, skabte naturlovene sig lige så lidt i materiens retning. For hver 3.000.000.000 antimaterielle partikler var der 3.000.000.001 stofpartikler. De 3 milliarder stofpartikler og 3 milliarder antimaterielle partikler blev samlet - og udslettet tilbage til energi, hvilket efterlader det lille stof overskud til at udgøre det univers, vi ser i dag.
Siden dette puslespil blev forstået for næsten et århundrede siden, har forskere undersøgt stof og antimaterie for at se, om de kunne finde opførsel i subatomære partikler, der ville forklare overskydende stof. De er sikre på, at stof og antimaterie fremstilles i lige store mængder, men de har også observeret, at en klasse af subatomære partikler kaldet kvarker udviser opførsel, der lidt favoriserer materie i forhold til antimateriale. Denne særlige måling var subtil, involverende en klasse af partikler kaldet K-mesoner, som kan omdannes fra stof til antimaterie og tilbage igen. Men der er en lille forskel i stof, der konverteres til antimaterie sammenlignet med det omvendte. Dette fænomen var uventet, og dets opdagelse førte til Nobelprisen i 1980, men størrelsesordenen af effekten var ikke nok til at forklare, hvorfor materien dominerer i vores univers.
Spøgelsesbjælker
Forskere har således vendt deres opmærksomhed mod neutrinoer for at se, om deres opførsel kan forklare det overskydende stof. Neutrino er spøgelser fra den subatomære verden. Når de kun interagerer med den svage kernekraft, kan de passere materie uden næsten overhovedet at interagere. For at give en følelse af skala oprettes neutrinoer oftest i nukleare reaktioner, og den største atomreaktor omkring er Solen. At beskytte sig selv mod halvdelen af solneutrinoerne ville tage en masse fast bly ca. 5 lysår i dybden. Neutrinoer interagerer virkelig ikke meget.
Mellem 1998 og 2001 beviste en række eksperimenter - en ved hjælp af Super Kamiokande-detektoren og en anden ved hjælp af SNO-detektoren i Sudbury, Ontario - definitivt, at neutrinoer også udviser en anden overraskende opførsel. De ændrer deres identitet.
Fysikere kender til tre forskellige typer neutrinoer, der hver især er forbundet med en unik subatomisk søskende, kaldet elektroner, muoner og taus. Elektroner er det, der forårsager elektricitet, og muon- og tau-partiklen ligner meget elektroner, men tungere og ustabile.
De tre slags neutrinoer, kaldet elektronneutrino, muon neutrino og tau neutrino, kan "morph" ind i andre typer neutrinoer og tilbage igen. Denne opførsel kaldes neutrino-svingning.
Neutrino-svingning er et unikt kvantefænomen, men det er nogenlunde analogt med at starte med en skål vaniljeis, og når du har fundet en ske, kommer du tilbage til at opdage, at skålen er halv vanille og halv chokolade. Neutrinoer ændrer deres identitet fra at være helt en type, til en blanding af typer, til en helt anden type og derefter tilbage til den originale type.
Antineutrino-svingninger
Neutrinoer er stofpartikler, men antimateriale neutrinoer, kaldet antineutrino, findes også. Og det fører til et meget vigtigt spørgsmål. Neutrinoer oscillerer, men antineutrinoer svinger også, og svinger de på nøjagtigt på samme måde som neutrinoer? Svaret på det første spørgsmål er ja, mens svaret på det andet ikke er kendt.
Lad os overveje dette lidt mere fuldstændigt, men på en forenklet måde: Antag, at der kun var to neutrino-typer - muon og elektron. Antag endvidere, at du havde en stråle af rent neutroner af muontypen. Neutrinoer svinger med en bestemt hastighed, og da de bevæger sig tæt på lysets hastighed, svinger de som en funktion af afstanden fra hvor de blev oprettet. Således vil en stråle af rene muonneutrinoer ligne en blanding af muon- og elektrontyper i en vis afstand, derefter rent elektrontyper i en anden afstand og derefter tilbage til kun muon. Antimateriale neutrinoer gør det samme.
Men hvis stof og antimateriale neutrinoer svinger i lidt forskellige hastigheder, ville du forvente, at hvis du var en fast afstand fra det punkt, hvor en stråle af rene muonneutrinoer eller muon-antineutrinoer blev oprettet, ville du i neutrino-tilfældet se en blanding af muon- og elektronneutrinoer, men i antimateriale neutrino-tilfældet ser du en anden blanding af antimaterie-muon- og elektronneutrinoer. Den faktiske situation kompliceres af det faktum, at der er tre slags neutrinoer, og svingningen afhænger af strålenergi, men det er de store ideer.
Observationen af forskellige svingningsfrekvenser fra neutrinoer og antineutrinoer ville være et vigtigt skridt i retning af at forstå, at universet er lavet af stof. Det er ikke hele historien, fordi yderligere nye fænomener også skal indeholde, men forskellen mellem stof og antimaterie-neutrino er nødvendig for at forklare, hvorfor der er mere stof i universet.
I den aktuelle rådende teori, der beskriver neutrino-interaktioner, er der en variabel, der er følsom over for muligheden for, at neutrinoer og antineutrinoer svinger forskelligt. Hvis denne variabel er nul, svinger de to typer partikler med samme hastigheder; hvis denne variabel adskiller sig fra nul, svinger de to partikeltyper forskelligt.
Da T2K målte denne variabel, fandt de, at den var i strid med hypotesen om, at neutrinoer og antineutrinoer svinger identisk. Lidt mere teknisk bestemte de en række mulige værdier for denne variabel. Der er en 95 procent chance for, at den sande værdi for den pågældende variabel er inden for dette interval, og kun en 5 procent chance for, at den sande variabel er uden for dette interval. Hypotesen om "ingen forskel" ligger uden for 95 procentintervallet.
I enklere vendinger antyder den aktuelle måling, at neutrinoer og antimateriale neutrinoer svinger forskelligt, skønt sikkerheden ikke stiger til niveauet for at gøre en endelig påstand. Faktisk påpeger kritikere, at målinger med dette statistiske niveau bør betragtes meget, meget skeptisk. Men det er bestemt et enormt provokerende første resultat, og verdens videnskabelige samfund er yderst interesseret i at se forbedrede og mere præcise studier.
T2K-eksperimentet fortsætter med at registrere yderligere data i håb om at foretage en endelig måling, men det er ikke det eneste spil i byen. I Fermilab, der ligger uden for Chicago, skyder et lignende eksperiment kaldet NOVA både neutrinoer og antimaterie-neutrinoer til det nordlige Minnesota i håb om at slå T2K til stødet. Og når vi ser mere på fremtiden, arbejder Fermilab hårdt på, hvad der vil være dets flagskibsexperiment, kaldet DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), som vil have langt overlegne evner til at studere dette vigtige fænomen.
Selvom T2K-resultatet ikke er endeligt, og forsigtighed er berettiget, er det bestemt spændende. I betragtning af spørgsmålet om, hvorfor vores univers ikke synes at have nogen mærkbar antimaterie, vil verdens videnskabelige samfund ivrig vente på yderligere opdateringer.
