Oamenii de știință se descoperă în explorarea misterelor și cu cât misterul este mai mare, cu atât entuziasmul este mai mare. Există multe întrebări uriașe fără răspuns în știință, dar atunci când treci mare, este greu de învins „De ce există ceva, în loc de nimic?”
Aceasta ar putea părea o întrebare filosofică, dar este una care este foarte susceptibilă cercetării științifice. Afirmat ceva mai concret, „De ce universul este făcut din tipurile de materie care face viața umană posibilă, astfel încât putem chiar pune această întrebare?” Oamenii de știință care efectuează cercetări în Japonia au anunțat luna trecută o măsurare care se adresează direct celor mai fascinante anchete. Se pare că măsurarea lor nu este de acord cu cele mai simple așteptări ale teoriei actuale și ar putea bine să îndrepte spre un răspuns la această întrebare atemporală.
Măsurarea lor pare să spună că pentru un anumit set de particule subatomice, materia și antimateria acționează diferit.
Materie v. Antimaterie
Folosind acceleratorul J-PARC, localizat în Tokai, Japonia, oamenii de știință au tras un fascicul de particule fantastice subatomice numite neutrinoși și omologii lor antimateriali (antineutrinos) prin Pământ, până la experimentul Super Kamiokande, situat în Kamioka, tot în Japonia. Acest experiment, numit T2K (Tokai până la Kamiokande), este conceput pentru a determina de ce universul nostru este format din materie. Un comportament ciudat manifestat de neutrini, numit oscilație neutrinoasă, ar putea arunca o lumină asupra acestei probleme foarte îngrozitoare.
Întrebarea de ce universul este făcut din materie ar putea suna ca o întrebare ciudată, dar există un motiv foarte bun pentru care oamenii de știință sunt surprinși de acest lucru. Se datorează faptului că, pe lângă faptul că știu existența materiei, oamenii de știință știu și despre antimaterie.
În 1928, fizicianul britanic Paul Dirac a propus existența antimateriei - o frăție antagonică a materiei. Combinați cantități egale de materie și antimaterie și cele două se anihilează reciproc, rezultând în eliberarea unei cantități enorme de energie. Și, deoarece, de obicei, principiile fizicii funcționează la fel de bine în sens invers, dacă aveți o cantitate prodigioasă de energie, aceasta se poate converti în cantități exact egale de materie și antimaterie. Antimateria a fost descoperită în 1932 de americanul Carl Anderson, iar cercetătorii au avut aproape un secol pentru a-i studia proprietățile.
Totuși, acea frază „în cantități exact egale” este punctul cel mai important al conundrului. În scurtele momente imediat după Big Bang, universul era plin de energie. Pe măsură ce s-a extins și s-a răcit, acea energie ar fi trebuit să fie transformată în materii de părți egale și particule subatomice antimateriale, care ar trebui să fie observabile astăzi. Și totuși, universul nostru constă în esență în totalitate din materie. Cum poate fi asta?
Numărând numărul de atomi din univers și comparând asta cu cantitatea de energie pe care o vedem, oamenii de știință au stabilit că „exact egal” nu este chiar corect. Cumva, când universul era cam la o zecime de miliardime de secunde vechi, legile naturii s-au strecurat tot mai ușor în direcția materiei. Pentru fiecare 3.000.000.000 de particule de antimaterie, existau 3.000.000.001 particule de materie. Cele 3 miliarde de particule de materie și 3 miliarde de particule de antimaterie combinate - și anihilate înapoi în energie, lăsând excesul ușor de materie pentru a alcătui universul pe care îl vedem astăzi.
Deoarece acest puzzle a fost înțeles în urmă cu aproape un secol, cercetătorii au studiat materia și antimateria pentru a vedea dacă ar putea găsi un comportament în particule subatomice care ar explica excesul de materie. Ei sunt siguri că materia și antimateria sunt realizate în cantități egale, dar au observat, de asemenea, că o clasă de particule subatomice numite quark prezintă comportamente care favorizează ușor materia peste antimaterie. Această măsurătoare specială a fost subtilă, implicând o clasă de particule numite mezoane K care se pot converti din materie în antimaterie și din nou. Dar există o ușoară diferență de conversie a materiei în antimaterie în comparație cu reversul. Acest fenomen a fost neașteptat și descoperirea lui a dus la premiul Nobel din 1980, dar amploarea efectului nu a fost suficientă pentru a explica de ce materia domină în universul nostru.
Grinzi fantomatice
Astfel, oamenii de știință și-au îndreptat atenția asupra neutrinilor, pentru a vedea dacă comportamentul lor poate explica excesul de materie. Neutrinii sunt fantomele lumii subatomice. Interacționând doar prin forța nucleară slabă, ele pot trece prin materie fără a interacționa aproape deloc. Pentru a da un sentiment de scară, neutrinii sunt creați cel mai frecvent în reacțiile nucleare, iar cel mai mare reactor nuclear este Soarele. Pentru a proteja sinele cuiva de jumătatea neutrinilor solari ar fi nevoie de o masă de plumb solid, aproximativ 5 ani-lumină în adâncime. Neutrinii nu interacționează foarte mult.
Între 1998 și 2001, o serie de experimente - unul cu detectorul Super Kamiokande și altul cu detectorul SNO din Sudbury, Ontario - au demonstrat definitiv că neutrinii prezintă și un alt comportament surprinzător. Își schimbă identitatea.
Fizicienii cunosc trei tipuri distincte de neutrini, fiecare asociat cu un frate subatomic unic, numiți electroni, muoni și taus. Electronii sunt ceea ce cauzează electricitate, iar particulele de muon și tau sunt foarte asemănătoare cu electronii, dar mai grele și instabile.
Cele trei tipuri de neutrini, numiți neutrino electroni, neutrino muon și neutrino tau, se pot „transforma” în alte tipuri de neutrini și din nou. Acest comportament se numește oscilație neutrino.
Oscilarea neutrului este un fenomen cuantic unic, dar este aproximativ analog cu a începe cu un bol cu înghețată de vanilie și, după ce mergi să găsești o lingură, te întorci să afli că bolul este jumătate de vanilie și jumătate de ciocolată. Neutrinii își schimbă identitatea de la a fi în întregime un tip, la un amestec de tipuri, la un tip complet diferit, și apoi la cel inițial.
Oscilatii antineutrino
Neutrinii sunt particule de materie, dar există și neutrini antimateri, numiți antineutrini. Și asta duce la o întrebare foarte importantă. Neutrinii oscilează, dar și antineutrinii oscilează și oscilează exact la fel ca neutrinii? Răspunsul la prima întrebare este da, în timp ce răspunsul la a doua nu este cunoscut.
Să analizăm acest lucru un pic mai complet, dar într-un mod simplificat: Să presupunem că au existat doar două tipuri de neutrino - muon și electron. Să presupunem în plus că aveți un fascicul de neutroși pur tip muon. Neutrinii oscilează cu o viteză specifică și, întrucât se apropie de viteza luminii, aceștia oscilează în funcție de distanța față de locul în care au fost creați. Astfel, un fascicul de neutroni muoni puri va arăta ca un amestec de tipuri de muoni și electroni la o anumită distanță, apoi tipuri pur de electroni la o altă distanță și apoi înapoi la numai muon. Neutrinii antimateri fac același lucru.
Cu toate acestea, dacă materia și neutrinii antimateri oscilează la viteze ușor diferite, te-ai aștepta ca, dacă ai fi la o distanță fixă față de punctul în care a fost creat un fascicul de neutroni pură de muon sau antineutrini de muon, atunci în cazul neutrino ați vedea un amestec de muon și neutroni electroni, dar în cazul neutrinului antimaterial, ați vedea un amestec diferit de muon antimaterie și neutroni electroni. Situația reală este complicată de faptul că există trei tipuri de neutrini și oscilația depinde de energia fasciculului, dar acestea sunt ideile mari.
Observarea diferitelor frecvențe de oscilație de către neutrini și antineutrini ar fi un pas important spre înțelegerea faptului că universul este format din materie. Nu este vorba de întreaga poveste, pentru că trebuie să se mențină și alte fenomene suplimentare, dar diferența dintre materie și neutrinele antimaterie este necesară pentru a explica de ce există mai multă materie în univers.
În teoria actuală care descrie interacțiunile neutrino, există o variabilă sensibilă la posibilitatea ca neutrinii și antineutrinii să oscileze diferit. Dacă acea variabilă este zero, cele două tipuri de particule oscilează la viteze identice; dacă acea variabilă diferă de zero, cele două tipuri de particule oscilează diferit.
Când T2K a măsurat această variabilă, au descoperit că era în contradicție cu ipoteza că neutrinii și antineutrinii oscilează identic. Un pic mai tehnic, au determinat o serie de valori posibile pentru această variabilă. Există o șansă de 95 la sută ca adevărata valoare a acelei variabile să se încadreze în acest interval și doar o șansă de 5% ca adevărata variabilă să se afle în afara acelui interval. Ipoteza „fără diferență” este în afara intervalului de 95 la sută.
În termeni mai simpli, măsurarea curentă sugerează că neutrinii și neutrinii antimateri oscilează diferit, deși certitudinea nu se ridică la nivelul de a face o afirmație definitivă. De fapt, criticii subliniază că măsurătorile cu acest nivel de semnificație statistică trebuie privite foarte, foarte sceptic. Dar este cu siguranță un rezultat inițial enorm provocator, iar comunitatea științifică a lumii este extrem de interesată să vadă studii îmbunătățite și mai precise.
Experimentul T2K va continua să înregistreze date suplimentare în speranța de a face o măsurare definitivă, dar nu este singurul joc din oraș. La Fermilab, situat în afara orașului Chicago, un experiment similar numit NOVA a filmat atât neutrini cât și antimateri antimateriali către nordul Minnesotaului, în speranța de a bate T2K la pumn. Și, privind mai mult spre viitor, Fermilab lucrează din greu la ceea ce va fi experimentul său principal, numit DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), care va avea capacități mult superioare de a studia acest fenomen important.
Cu toate că rezultatul T2K nu este definitiv și este necesară prudență, este cu siguranță tentant. Având în vedere enormitatea întrebării de ce universul nostru pare să nu aibă o antimaterie apreciabilă, comunitatea științifică a lumii va aștepta cu nerăbdare alte actualizări.
