Ученые упиваются исследованием загадок, и чем больше загадка, тем больше энтузиазм. Есть много огромных вопросов без ответов в науке, но когда вы становитесь большими, трудно победить: «Почему есть что-то, а не ничего?»
Это может показаться философским вопросом, но он очень поддается научному исследованию. Если говорить более конкретно, «Почему Вселенная состоит из видов материи, которые делают возможной человеческую жизнь, чтобы мы могли даже задать этот вопрос?» Ученые, проводящие исследования в Японии, в прошлом месяце объявили об измерении, которое напрямую затрагивает самые интересные вопросы. Похоже, что их измерение не согласуется с простейшими ожиданиями современной теории и вполне может указывать на ответ на этот вечный вопрос.
Их измерение говорит о том, что для определенного набора субатомных частиц вещество и антивещество действуют по-разному.
Материя против антивещества
Используя ускоритель J-PARC, расположенный в Токай, Япония, ученые выпустили пучок призрачных субатомных частиц, называемых нейтрино, и их аналогов из антивещества (антинейтрино) через Землю в эксперимент Супер Камиоканде, расположенный в Камиоке, также в Японии. Этот эксперимент, называемый T2K (Tokai to Kamiokande), предназначен для определения того, почему наша вселенная состоит из материи. Своеобразное поведение нейтрино, называемое нейтринными колебаниями, может пролить свет на эту очень неприятную проблему.
Вопрос о том, почему Вселенная состоит из материи, может показаться странным вопросом, но есть очень веская причина, по которой ученые удивляются этому. Это потому, что, помимо знания о существовании материи, ученые также знают антивещество.
В 1928 году британский физик Пол Дирак предложил существование антивещества - антагонистического брата материи. Объедините равные количества вещества и антивещества и оба аннигилируют друг друга, что приводит к высвобождению огромного количества энергии. И поскольку физические принципы обычно работают одинаково хорошо в обратном направлении, если у вас есть колоссальное количество энергии, оно может превратиться в ровно равное количество вещества и антивещества. Антивещество было обнаружено в 1932 году американцем Карлом Андерсоном, и исследователи имели почти столетие, чтобы изучить его свойства.
Однако эта фраза «в абсолютно равных количествах» является сутью головоломки. В короткие моменты сразу после Большого взрыва вселенная была полна энергии. По мере расширения и охлаждения эта энергия должна была превращаться в равные части материи и субатомных частиц антивещества, что должно наблюдаться сегодня. И все же наша вселенная состоит по существу исключительно из материи. Как это может быть?
Подсчитав количество атомов во Вселенной и сравнив это с количеством энергии, которое мы видим, ученые определили, что «точно равное» не совсем верно. Каким-то образом, когда вселенная составляла примерно одну десятую триллионной доли секунды, законы природы очень-чуть искажались в направлении материи. Для каждых 3 000 000 000 частиц антивещества было 3 000 000 001 частиц вещества. 3 миллиарда частиц вещества и 3 миллиарда частиц антивещества объединяются - и снова уничтожаются, превращаясь в энергию, оставляя небольшой избыток вещества, чтобы создать вселенную, которую мы видим сегодня.
Поскольку эта загадка была понята почти столетие назад, исследователи изучали вещество и антивещество, чтобы выяснить, могут ли они обнаружить поведение в субатомных частицах, которое объясняет избыток вещества. Они уверены, что материя и антивещество сделаны в равных количествах, но они также наблюдали, что класс субатомных частиц, называемых кварками, демонстрирует поведение, которое немного предпочитает материю над антивеществом. Это конкретное измерение было тонким, с участием класса частиц, называемых K-мезонами, которые могут превращаться из вещества в антивещество и обратно. Но есть небольшая разница в превращении вещества в антивещество по сравнению с обратным. Это явление было неожиданным, и его открытие привело к Нобелевской премии 1980 года, но масштабы этого эффекта было недостаточно, чтобы объяснить, почему материя доминирует в нашей вселенной.
Призрачные лучи
Таким образом, ученые обратили свое внимание на нейтрино, чтобы увидеть, может ли их поведение объяснить избыток вещества. Нейтрино - это призраки субатомного мира. Взаимодействуя только через слабую ядерную силу, они могут проходить сквозь материю, почти не взаимодействуя. Чтобы дать представление о масштабе, нейтрино чаще всего создаются в ядерных реакциях, а самый большой ядерный реактор вокруг Солнца. Чтобы защитить себя от половины солнечных нейтрино, потребовалась бы масса твердого свинца глубиной около 5 световых лет. Нейтрино действительно не сильно взаимодействуют.
Между 1998 и 2001 годами серия экспериментов - один с использованием детектора Super Kamiokande, а другой с использованием детектора SNO в Садбери, Онтарио - окончательно доказал, что нейтрино также демонстрируют другое удивительное поведение. Они меняют свою личность.
Физикам известно о трех различных видах нейтрино, каждый из которых связан с уникальным субатомным братом, называемым электронами, мюонами и таузами. Электроны - это то, что вызывает электричество, а частицы мюона и тау очень похожи на электроны, но тяжелее и нестабильнее.
Три вида нейтрино, называемые электронным нейтрино, мюонным нейтрино и тау-нейтрино, могут «превращаться» в другие типы нейтрино и обратно. Такое поведение называется колебанием нейтрино.
Осцилляция нейтрино - это уникальное квантовое явление, но оно примерно аналогично тому, как начинать с миски с ванильным мороженым, и после того, как вы найдете ложку, вы вернетесь и обнаружите, что миска наполовину ванильная и наполовину шоколадная. Нейтрино меняют свою идентичность с полностью одного типа на смесь типов, на совершенно другой тип и затем возвращаются к исходному типу.
Антинейтринные колебания
Нейтрино являются частицами материи, но также существуют нейтрино антиматерии, называемые антинейтрино. И это приводит к очень важному вопросу. Нейтрино колеблются, но антинейтрино также колеблются и колеблются ли они точно так же, как нейтрино? Ответ на первый вопрос - да, а ответ на второй неизвестен.
Давайте рассмотрим это немного более подробно, но в упрощенном виде: предположим, что было только два типа нейтрино - мюон и электрон. Предположим далее, что у вас был пучок нейтрино чисто мюонного типа. Нейтрино колеблются с определенной скоростью, и, поскольку они движутся со скоростью, близкой к скорости света, они колеблются как функция расстояния от того места, где они были созданы. Таким образом, пучок чистых мюонных нейтрино будет выглядеть как смесь мюонных и электронных типов на некотором расстоянии, затем чисто электронных типов на другом расстоянии и затем обратно только к мюонным. Нейтрино антивещества делают то же самое.
Однако, если нейтрино материи и антивещества осциллируют с немного разными скоростями, вы ожидаете, что если бы вы находились на фиксированном расстоянии от точки, в которой был создан пучок чистых мюонных нейтрино или мюонных антинейтрино, то в случае нейтрино вы бы увидели одна смесь мюонных и электронных нейтрино, но в случае нейтрино из антивещества вы увидите другую смесь мюонных и электронных нейтрино из антивещества. Фактическая ситуация осложняется тем фактом, что существует три вида нейтрино, и колебания зависят от энергии пучка, но это большие идеи.
Наблюдение нейтрино и антинейтрино разных частот колебаний было бы важным шагом к пониманию того факта, что Вселенная состоит из материи. Это не вся история, потому что дополнительные новые явления также должны иметь место, но различие между нейтрино материи и антивещества необходимо, чтобы объяснить, почему во вселенной больше материи.
В современной теории, описывающей нейтринные взаимодействия, существует переменная, чувствительная к возможности того, что нейтрино и антинейтрино колеблются по-разному. Если эта переменная равна нулю, частицы двух типов колеблются с одинаковой скоростью; если эта переменная отличается от нуля, два типа частиц колеблются по-разному.
Когда T2K измерил эту переменную, они обнаружили, что это не соответствует гипотезе о том, что нейтрино и антинейтрино колеблются одинаково. Чуть более технически они определили диапазон возможных значений для этой переменной. Существует 95-процентная вероятность того, что истинное значение для этой переменной находится в этом диапазоне, и только 5-процентная вероятность того, что истинная переменная находится за пределами этого диапазона. Гипотеза «без разницы» находится за пределами 95-процентного диапазона.
Проще говоря, текущее измерение предполагает, что нейтрино и антивещественные нейтрино колеблются по-разному, хотя определенность не поднимается до уровня, чтобы сделать однозначное утверждение. Фактически, критики указывают, что измерения с таким уровнем статистической значимости следует рассматривать очень и очень скептически. Но это, безусловно, чрезвычайно провокационный первоначальный результат, и мировое научное сообщество крайне заинтересовано в улучшении и более точных исследованиях.
Эксперимент T2K будет продолжать записывать дополнительные данные в надежде сделать окончательное измерение, но это не единственная игра в городе. В Fermilab, расположенном за пределами Чикаго, аналогичный эксперимент под названием NOVA направляет нейтрино и нейтрино из антивещества в северную Миннесоту в надежде превзойти T2K. И, заглядывая в будущее, Fermilab усердно работает над тем, что станет его флагманским экспериментом под названием DUNE (Эксперимент по глубокому подземному нейтрино), который будет иметь гораздо более широкие возможности для изучения этого важного явления.
Хотя результат T2K не является окончательным и требует осторожности, это, безусловно, мучительно. Учитывая колоссальность вопроса о том, почему в нашей вселенной нет заметной антивещества, мировое научное сообщество будет с нетерпением ждать дальнейших обновлений.
