Ύλη – Αντιύλη: Τα νετρίνα δείχνουν την απάντηση στο ερώτημα γιατί η αντιύλη δεν «κατάστρεψε» το Σύμπαν;

(Το κείμενο που ακολουθεί έχει δημοσιευθεί στο περιοδικό New-Scientist)

Θα μπορούσαν όλα να ήταν πολύ διαφορετικά. Όταν η ύλη για πρώτη φορά σχηματίστηκε στο σύμπαν, οι τρέχουσες απόψεις μας υποστηρίζουν ότι θα έπρεπε να συνοδεύονταν από ίση ποσότητα αντιύλης – ένα συμπέρασμα που γνωρίζουμε ότι είναι λάθος, επειδή δεν θα έπρεπε να είμαστε εδώ εάν ήταν αλήθεια. Τα πρόσφατα αποτελέσματα από ένα ζευγάρι πειραμάτων, που σχεδιάστηκαν για να μελετήσουν τη συμπεριφορά των νετρίνων [σωμάτια που μόλις αλληλεπιδρούν με το υπόλοιπο σύμπαν], θα μπορούσαν να σημαίνουν πως αρχίζουμε να κατανοούμε το γιατί.

Τα νετρίνα και τα αντίστοιχα αντισωμάτιά τους, τα αντινετρίνα, εμφανίζονται σε τρεις τύπους ή γεύσεις: του ηλεκτρονίου, του μυονίου και του ταυ. Διάφορα πειράματα αποκάλυψαν ότι τα νετρίνα μπορούν αυθόρμητα να μεταλλάσσονται μεταξύ αυτών των τριών γεύσεων, ένα φαινόμενο που ονομάζεται ταλάντευση. Το πείραμα T2K στην Ιαπωνία, ψάχνει για αυτές τις ταλαντεύσεις καθώς τα νετρίνα ταξιδεύουν μεταξύ του επιταχυντή J-PARC στη θέση Tokai, [περίπου 115 χιλιόμετρα βορειο-ανατολικά του Τόκιο, κοντά στον Ειρηνικό ωκεανό] και του ανιχνευτή νετρίνων Super-Kamiokande, [που βρίσκεται κάτω από το όρος Ikeno στον τομέα Kamioka της πόλης Hida, της Ιαπωνίας σε απόσταση 295 χιλιομέτρων προς τα δυτικά]. Το πείραμα ξεκίνησε τον Φεβρουάριο του 2010, αλλά διακόπηκε για χρόνια μετά το σεισμό του 1011.

Ριπή ακτινοβολίας

Το 2013, η ομάδα ανακοίνωσε ότι 28 από τα νετρίνα μυονίου που έφυγαν από τον J-PARC έγιναν νετρίνα ηλεκτρονίου μέχρι τη στιγμή που έφθασαν στον Super-Kamiokande, η πρώτη πραγματική επιβεβαίωση ότι η μεταμόρφωση συνέβαινε. Μετά από αυτό έτρεξαν το πείραμα με αντινετρίνα μυονίου, για να δουν αν υπήρχε διαφορά μεταξύ του πώς τα συνηθισμένα σωμάτια και τα αντίστοιχα αντισωμάτιά τους ταλαντεύονται. Μια ιδέα που αποκαλείται συμμετρία φορτίου-ομοτιμίας (parity) (CP-symmetry) θεωρεί ότι αυτοί οι ρυθμοί θα πρέπει να είναι ίδιοι.

Ο τεράστιος ανιχνευτής σωματίων Super-Kamiokande

Η CP-συμμετρία [φορτίου-ομοτιμίας] είναι η αντίληψη ότι η Φυσική θα παραμείνει βασικά αμετάβλητη εάν αντικατασταθούν όλα τα σωμάτια με τα αντίστοιχα αντισωμάτιά τους. Εμφανίζεται να παραμένει αληθής για τις αλληλεπιδράσεις σχεδόν όλων των σωματίων και υπαινίσσεται ότι στο σύμπαν, στη Μεγάλη Έκρηξη, θα έχει παραχθεί το ίδιο ποσό ύλης και αντιύλης. Η ύλη και η αντιύλη καταστρέφουν η μια την άλλη, έτσι αν η συμμετρία φορτίου-ομοτιμίας ισχύει και οι δυο, ύλη και αντιύλη, θα είχαν εξαφανιστεί σε μια ριπή ακτινοβολίας, νωρίς στην ιστορία του σύμπαντος, πολύ πριν η ύλη μπορέσει να «πήξει» σε στέρεο υλικό. Αυτό είναι καθαρό ότι δεν συνέβη, αλλά δεν γνωρίζουμε γιατί. Οποιαδήποτε παραβίαση της συμμετρίας φορτίου-ομοτιμίας παρατηρηθεί, θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση αυτής της ασυμφωνίας.

«Γνωρίζουμε ότι για να δημιουργηθεί περισσότερη ύλη από ότι αντιύλη στο σύμπαν, χρειαζόμαστε μια διαδικασία που παραβιάζει την CP-συμμετρία», λέει η Patricia Vahle, η οποία εργάζεται στο NoVA, ένα πείραμα παρόμοιο με το T2K που στέλνει νετρίνα μεταξύ Illinois και Minnesota. «Έτσι, ψάχνουμε για οποιαδήποτε διαδικασία που μπορεί να παραβιάσει αυτή τη CP-συμμετρία».

Μετατροπείς Γεύσης

Ήδη γνωρίζουμε ένα πράγμα: τις αλληλεπιδράσεις των διαφορετικών ειδών κουάρκ, των συστατικών των πρωτονίων και νετρονίων στα άτομα. Όμως οι διαφορές τους δεν είναι τόσο μεγάλες, αρκετές για να εξηγήσουν γιατί η ύλη κυριάρχησε τόσο πλήρως στο σύγχρονο σύμπαν. Η ταλαντεύσεις των νετρίνων είναι ένα άλλο μέρος για να ψάξουμε για παραβιάσεις.

Αυτή την περίοδο [4/7 – 9/7] διεξάγονται στο Λονδίνο οι εργασίες του Διεθνούς Συνεδρίου στη Φυσική των νετρίνων και την αστροφυσική (Neutrino 2016), με κύριο σκοπό την ανασκόπηση της κατάστασης στο πεδίο της Φυσικής των νετρίνων και την επίδρασή της στην αστρονομία και την κοσμολογία, αλλά και το όραμα για την μελλοντική ανάπτυξη αυτών των πεδίων. Στο πλαίσιο του Συνεδρίου παρουσιάστηκαν τα πρώτα σήματα από παραβιάσεις της CP-συμμετρίας. Ο Hirohisa Tanaka του Πανεπιστημίου του Τορόντο, στον Καναδά, αναφέρθηκε στα τελευταία αποτελέσματα από το πείραμα T2K. Έχουν πλέον δει 32 νετρίνα μυονίου να μεταμορφώνονται σε γεύση ηλεκτρονίου, σε σύγκριση με μόλις 4 αντινετρίνα μυονίου που έγιναν στο είδος του αντι-ηλεκτρονίου.

Αυτό το εύρημα δείχνει περισσότερη ύλη και λιγότερη αντιύλη από ότι αναμένονταν να δούμε, υποθέτοντας ότι ισχύει η CP-συμμετρία. Παρόλο που ο αριθμός των ανιχνευθέντων περιστατικών σε κάθε πείραμα είναι μικρός, η διαφορά είναι αρκετή για να αποκλειστεί η ισχύς της CP-συμμετρίας σε στατιστικό επίπεδο 2σ – με άλλα λόγια υπάρχει μόνο 5% περίπου τύχη ότι το T2K θα «δει» τέτοιες διαφορές εάν η CP-συμμετρία διατηρείται σε αυτή τη διαδικασία.

Οι σωματιδιακοί φυσικοί κανονικά περιμένουν μέχρι κάτι να φθάσει στο επίπεδο 3σ, πριν ενθουσιαστούν και δεν το θεωρούν ανακάλυψη μέχρι το επίπεδο 5σ, έτσι είναι νωρίς για να θεωρηθεί ότι τα νετρίνα σπάζουν τη CP-συμμετρία. Όμως στο ίδιο Συνέδριο, η Vahle παρουσίασε τα τελευταία αποτελέσματα από το πείραμα NoVA που αποκαλύπτουν ότι τα δυο πειράματα ήταν σε ευρεία συμφωνία σχετικά με την δυνατότητα να συμβαίνει.

Στο NoVA σχεδιάζουν να τρέξουν τα δικά τους πειράματα αντινετρίνων την επόμενη χρονιά, που θα τους βοηθήσουν να επιβεβαιώσουν τα αποτελέσματα, ενώ και οι δυο ομάδες συνεχίζουν να συλλέγουν περισσότερα δεδομένα. Είναι πολύ νωρίς ακόμη για να ειπωθεί κατά τρόπο αναμφισβήτητο, αλλά ένα από τα μυστήρια του γιατί βρισκόμαστε εδώ μπορεί να βρίσκεται καθοδόν προς τη λύση του.

Πηγή: Symmetry Magazine