Í mjög snemma alheimurinn, skömmu eftir Miklahvell,máli' og 'andefni' voru báðir til í jafn miklu magni. Hins vegar, af þeim ástæðum sem hingað til eru ekki þekktar,máli' drottnar yfir nútímanum alheimurinn. T2K rannsakendurnir hafa nýlega sýnt fram á hugsanlegt hleðslujafnvægisbrot í nifteind og samsvarandi and-neutrino sveiflur. Þetta er skref fram á við til að skilja hvers vegna máli drottnar yfir alheimurinn.
Miklihvell (sem átti sér stað fyrir um 13.8 milljörðum ára) og aðrar tengdar eðlisfræðikenningar benda til þess að snemma alheimurinn var geislun „ríkjandi“ og „máli' og 'andefni' var til í jöfnu magni.
En alheimurinn sem við vitum í dag að er „efni“ ráðandi. Hvers vegna? Þetta er ein forvitnilegasta ráðgáta alheimurinn. (1).
The alheimurinn sem við þekkjum í dag byrjaði með jöfnu magni af 'efni' og 'andefni', bæði voru búin til í pörum eins og náttúrulögmálið myndi krefjast og síðan tortímt og framleitt ítrekað geislun sem kallast 'geim bakgrunnsgeislun'. Innan um 100 míkrósekúndna frá Miklahvell byrjaði efnið (agnirnar) einhvern veginn að vera fleiri en andeindir um að segja einn af hverjum milljarði og innan nokkurra sekúndna var öllu andefninu eytt og aðeins efni skilið eftir sig.
Hvert er ferlið eða vélbúnaðurinn sem myndi skapa svona mismun eða ósamhverfu milli efnis og andefnis?
Árið 1967 setti rússneski eðlisfræðingurinn Andrei Sakharov fram þrjú skilyrði sem nauðsynleg væru til að ójafnvægi (eða framleiðsla efnis og andefnis á mismunandi hraða) gæti átt sér stað í alheimurinn. Fyrsta Sakharov skilyrðið er brot á baryonnúmerinu (skammtatölu sem helst varðveitt í samspili). Það þýðir að róteindir rotnuðu mjög hægt í léttari subatomískar agnir eins og hlutlaus pion og positron. Á sama hátt rotnaði andróteind í pion og rafeind. Annað skilyrði er brot á samhverfu hleðslusamtengingar, C, og hleðslusamtengingarsamhverfu, CP einnig kallað hleðslujafnvægisbrot. Þriðja skilyrðið er að ferlið sem framkallar baryon-ósamhverfu má ekki vera í hitajafnvægi vegna hraðrar útþenslu sem dregur úr tilviki pareyðingar.
Það er önnur viðmið Sakharovs um brot gegn CP, sem er dæmi um eins konar ósamhverfu milli agna og andagna þeirra sem lýsir því hvernig þær rotna. Með því að bera saman hegðun einda og mótefna, þ.e. hvernig þær hreyfast, hafa samskipti og rotna, geta vísindamenn fundið vísbendingar um þá ósamhverfu. CP-brotið gefur sönnun fyrir því að sumir óþekktir eðlisfræðilegir ferlar séu ábyrgir fyrir mismunandi framleiðslu efnis og andefnis.
Vitað er að rafsegul- og „sterk víxlverkun“ er samhverf undir C og P, og þar af leiðandi eru þau einnig samhverf undir vörunni CP (3). „Hins vegar er þetta ekki endilega raunin fyrir „veika víxlverkunina“, sem brýtur bæði í bága við C og P samhverfu““ segir BA Robson prófessor. Hann segir ennfremur að „brot á CP í veikum víxlverkunum felur í sér að slíkir eðlisfræðilegir ferlar gætu leitt til óbeins brots á baryontölu svo að efnissköpun væri valin fram yfir sköpun andefnis“. Agnir sem ekki eru kvarka sýna engin CP brot en CP brot í kvarkum eru of lítil og eru óveruleg til að hafa mun á efni og andefnissköpun. Svo, CP-brotið í leptónum (hlutleysingjar) orðið mikilvægt og ef það er sannað þá myndi það svara hvers vegna alheimurinn er efni ráðandi.
Þó að enn eigi eftir að sanna með óyggjandi hætti brot á CP samhverfu (1) en niðurstöður T2K teymið sýna nýlega að vísindamenn eru mjög nálægt því. Sýnt hefur verið fram á í fyrsta skipti að umskipti frá ögnum yfir í rafeind og nifteind eru ívilnuð fram yfir umskipti úr andeindir í rafeind og andneutrínó, með mjög háþróuðum tilraunum á T2K (Tokai til Kamioka) (2). T2K vísar til tveggja rannsóknarstofa, japanska róteindahröðunarrannsóknarsamstæðunnar (J-Parc) í Tokai og Super-Kamiokande neðanjarðar neutrino stjörnustöðin í Kamioka, Japan, aðskilin um 300 km. Róteindahraðallinn í Tokai myndaði agnirnar og andagnirnar frá hárorkuárekstrum og skynjarar í Kamioka fylgdust með nifteindunum og andefnis hliðstæðum þeirra, andneutrínóum með því að gera mjög nákvæmar mælingar.
Eftir greiningu á margra ára gögnum hjá T2K gátu vísindamenn mælt færibreytuna sem kallast delta-CP, sem stjórnar CP samhverfunni sem rofnar í nifteindasveiflu og fundu misræmið eða valið fyrir aukningu á nitrino hraðanum sem getur að lokum leitt til staðfesting á CP broti á því hvernig daufkyrningur og andneutrínur sveifluðust. Niðurstöðurnar sem T2K teymið fundu eru marktækar við tölfræðilega marktekt 3-sigma eða 99.7% öryggi. Það er tímamótaárangur þar sem staðfesting á CP-broti sem felur í sér daufkyrninga tengist yfirráðum efnis í alheimurinn. Frekari tilraunir með stærri gagnagrunn munu prófa hvort þetta leptonic CP samhverfubrot sé stærra en CP brot í kvarkum. Ef svo er þá munum við loksins hafa svarið við spurningunni Hvers vegna alheimurinn er efni ráðandi.
Þó að T2K tilraunin staðfesti ekki greinilega að CP samhverfubrot hafi átt sér stað en hún er tímamót í þeim skilningi að hún sýnir með óyggjandi hætti mikla val á auknum rafeinda nifteindahraða og færir okkur nær til að sanna að CP samhverfubrot hafi átt sér stað og að lokum til svara 'af hverju alheimurinn er efni ráðandi'.
***
Tilvísanir:
1. Háskólinn í Tókýó, 2020. ''T2K niðurstöður takmarka möguleg gildi neutrino CP Phase -…..'' Fréttatilkynning Birt 16. apríl 2020. Fáanleg á netinu á http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Skoðað 17. apríl 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. Takmörkun á efni-andefni samhverfu-brjótandi áfanga í nifteindarsveiflum. Náttúra bindi 580, bls.339–344(2020). Birt: 15. apríl 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. The Matter-Antimatter Asymmetry Problem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
