Zinātnieki izbauda noslēpumu izpēti, un jo lielāks noslēpums, jo lielāks entuziasms. Zinātnē ir daudz milzīgu neatbildētu jautājumu, bet, kad tu kļūsti liels, ir grūti pārspēt "Kāpēc ir kaut kas, nevis nekas?"
Tas varētu šķist filozofisks jautājums, taču tas ir ļoti piemērots zinātniskiem pētījumiem. Izteikts nedaudz konkrētāk: "Kāpēc Visums ir veidots no matērijas veidiem, kas padara cilvēka dzīvi iespējamu, lai mēs pat varētu uzdot šo jautājumu?" Zinātnieki, kas veic pētījumus Japānā, pagājušajā mēnesī ir paziņojuši par mērījumiem, kas tieši pievēršas vissaistošākajiem jautājumiem. Šķiet, ka viņu vērtējums neatbilst visvienkāršākajām pašreizējās teorijas cerībām un varētu labi norādīt uz atbildi uz šo mūžīgo jautājumu.
Viņu mērījumi, šķiet, saka, ka noteiktam subatomisko daļiņu kopumam matērija un antimateriāls darbojas atšķirīgi.
Lieta pret antimatēriju
Izmantojot J-PARC paātrinātāju, kas atrodas Tokai, Japānā, zinātnieki caur Zemi izšāva spokainu subatomisko daļiņu, ko sauc par neitrīnām, un to antimateriāla līdzinieku (antineutrino) staru uz Super Kamiokande eksperimentu, kas atrodas Kamiokā, arī Japānā. Šis eksperiments ar nosaukumu T2K (no Tokai līdz Kamiokande) ir paredzēts, lai noteiktu, kāpēc mūsu Visums ir veidots no matērijas. Neitrīno īpašā uzvedība, ko sauc par neitrīno svārstībām, varētu parādīt skaidrību par šo ļoti satraucošo problēmu.
Jautājums, kāpēc Visums ir veidots no matērijas, varētu izklausīties kā savdabīgs jautājums, taču ir ļoti labs iemesls, ka zinātnieki par to ir pārsteigti. Tas ir tāpēc, ka zinātnieki ne tikai zina par matērijas esamību, bet arī zina par antimatēriju.
1928. gadā britu fiziķis Pols Diraks ierosināja antimateriāla esamību - vielas antagonistisku māsu. Apvienojiet vienādus matērijas un antimateriāla daudzumus, un abi iznīcina viens otru, kā rezultātā tiek atbrīvots milzīgs enerģijas daudzums. Tā kā fizikas principi parasti darbojas vienādi labi pretēji, ja jums ir milzīgs enerģijas daudzums, tas var pārvērsties tieši vienādos matērijas un antimatērijas daudzumos. Antimatēriju 1932. gadā atklāja amerikānis Karls Andersons, un pētniekiem ir bijis gandrīz gadsimts, lai izpētītu tā īpašības.
Tomēr šī frāze “precīzi vienādās summās” ir mīkla pamatprogramma. Īsos brīžos tūlīt pēc lielā sprādziena Visums bija enerģijas pilns. Paplašinoties un atdziestot, šai enerģijai vajadzēja pārvērst vienādās daļās matērijas un antimatērijas subatomiskās daļiņas, kurām šodien vajadzētu būt novērojamām. Un tomēr mūsu Visums galvenokārt sastāv no matērijas. Kā tas var būt?
Saskaitot atomu skaitu Visumā un salīdzinot to ar redzamo enerģijas daudzumu, zinātnieki secināja, ka “precīzi vienādi” nav gluži pareizi. Kaut vai tad, kad Visums bija apmēram desmitā triljona sekundes vecs, dabas likumi vienmēr un nedaudz sašķiebās matērijas virzienā. Uz katrām 3 000 000 000 antimateriāla daļiņām bija 3 000 000 001 vielas daļiņas. 3 miljardi matēriju daļiņu un 3 miljardi antimateriāla daļiņu kopā - un iznīcināti atpakaļ enerģijā, atstājot nelielu vielas pārpalikumu, lai izveidotu mūsdienās redzamo Visumu.
Tā kā šī mīkla tika saprasta gandrīz pirms gadsimta, pētnieki ir pētījuši matēriju un antimatēriju, lai noskaidrotu, vai viņi varētu atrast uzvedību subatomiskās daļiņās, kas izskaidrotu matērijas pārpalikumu. Viņi ir pārliecināti, ka matērija un antimērija ir izgatavoti vienādos daudzumos, taču viņi ir arī novērojuši, ka subatomisko daļiņu klase, ko sauc par kvarkiem, izrāda izturēšanos, kas nedaudz labvēlīgi ietekmē matēriju, nevis antimatēriju. Šis konkrētais mērījums bija smalks, iesaistot daļiņu klasi, ko sauc par K mezoniem, kas var pārveidot no matērijas uz antimateriālu un atkal atpakaļ. Bet ir neliela atšķirība jautājumā par vielas pārvēršanu antimatērijā salīdzinājumā ar pretēju. Šī parādība bija negaidīta, un tās atklāšana noveda pie 1980. gada Nobela prēmijas saņemšanas, taču efekta lielums nebija pietiekams, lai izskaidrotu, kāpēc matērija dominē mūsu Visumā.
Spoku spoži
Tādējādi zinātnieki ir pievērsuši uzmanību neitrīniem, lai noskaidrotu, vai viņu uzvedība var izskaidrot lieko matēriju. Neitrīni ir subatomiskās pasaules spoki. Mijiedarbojoties tikai ar vāju kodolieroču palīdzību, viņi var iziet cauri matērijai, gandrīz nemaz nedarbojoties. Lai radītu izpratni par mērogu, neitrīni visbiežāk tiek veidoti kodolreakcijās, un lielākais apkārtējais kodolreaktors ir Saule. Lai pasargātu sevi no pusi no saules neitrīniem, būs nepieciešama cietā svina masa aptuveni 5 gaismas gadu dziļumā. Neitrīni tiešām nav ļoti mijiedarbojas.
Laikā no 1998. līdz 2001. gadam eksperimentu sērija - viena izmantojot Super Kamiokande detektoru, bet otra - izmantojot SNO detektoru Sudberī, Ontārio, galīgi pierādīja, ka neitrīni izrāda arī vēl vienu pārsteidzošu uzvedību. Viņi maina savu identitāti.
Fiziķi zina trīs atšķirīgus neitrīno veidus, un katrs no tiem ir saistīts ar unikālu subatomisku brāli, ko sauc par elektroniem, mūniem un tausiem. Elektroni izraisa elektronu, un muons un tau daļiņa ir ļoti līdzīgi elektroniem, bet ir smagāki un nestabili.
Trīs neitrīno veidi, ko sauc par elektronu neitrīno, muonu neitrīno un tau neitrīno, var "pārvērsties" cita veida neitrīnos un atkal. Šo uzvedību sauc par neitrīno svārstībām.
Neitrīno svārstības ir unikāli kvantu parādība, taču tas ir aptuveni analogs sākšanai ar bļodu ar vaniļas saldējumu un pēc tam, kad esat aizgājis un atradis karoti, jūs atgriezīsities, secinot, ka bļodā ir puse vaniļas un puse šokolādes. Neitrīni maina savu identitāti no pilnīgi viena veida uz tipu sajaukumu uz pavisam citu tipu un pēc tam atpakaļ uz sākotnējo tipu.
Antineutrino svārstības
Neitrīni ir matērijas daļiņas, taču pastāv arī antimateriāli neitrīni, kurus sauc par antineutrinos. Un tas noved pie ļoti svarīga jautājuma. Neitrīni svārstās, bet vai antineutrīni arī svārstās un vai tie svārstās tieši tāpat kā neitrīni? Atbilde uz pirmo jautājumu ir jā, savukārt atbilde uz otro jautājumu nav zināma.
Apsvērsim to nedaudz pilnīgāk, bet vienkāršotā veidā: Pieņemsim, ka bija tikai divi neitrīno tipi - muons un elektrons. Pieņemsim, ka arī jums bija tīri muonu tipa neitrīnu stars. Neitrīni svārstās noteiktā ātrumā, un, tā kā tie pārvietojas tuvu gaismas ātrumam, tie svārstās kā attāluma funkcija no vietas, kur tie tika radīti. Tādējādi tīru mūonu neitrīno staru kūlis kaut kādā attālumā izskatīsies pēc monona un elektronu tipu sajaukuma, pēc tam tīri elektronu veida citā attālumā un pēc tam atpakaļ pie tikai muoniem. Antimatērijas neitrīni dara to pašu.
Tomēr, ja matērijas un antimatērijas neitrīni svārstās nedaudz atšķirīgā ātrumā, jūs varētu gaidīt, ka, ja jūs būtu noteikts attālums no vietas, kurā tika izveidots tīru muonu neitrīno vai muonu antineutrīno stars, tad neitrīno gadījumā jūs redzētu viens muonu un elektronu neitrīnu sajaukums, bet neitrīno antimēru gadījumā jūs redzētu atšķirīgu antimateriāla musonu un elektronu neitrīno sajaukumu. Faktisko situāciju sarežģī fakts, ka ir trīs veidu neitrīni un svārstības ir atkarīgas no staru enerģijas, taču tās ir lielās idejas.
Neitrīno un antineutrīno dažādu svārstību frekvenču novērošana būtu svarīgs solis, lai saprastu faktu, ka Visums ir veidots no matērijas. Tas nav viss stāsts, jo arī jaunām parādībām ir jānotiek, taču atšķirība starp matēriju un neitrīno antimēriju ir nepieciešama, lai izskaidrotu, kāpēc Visumā ir vairāk matērijas.
Pašreizējā valdošajā teorijā, kas apraksta neitrīno mijiedarbību, pastāv mainīgais lielums, kas ir jutīgs pret iespēju, ka neitrīni un antineutrīni oscilējas atšķirīgi. Ja šis mainīgais ir nulle, divu veidu daļiņas svārstās vienādos ātrumos; ja šis mainīgais atšķiras no nulles, divi daļiņu veidi svārstās atšķirīgi.
Kad T2K izmērīja šo mainīgo, viņi atklāja, ka tas nav pretrunā ar hipotēzi, ka neitrīni un antineutrīni oscilējas identiski. Nedaudz tehniskāk, viņi noteica šī mainīgā iespējamo vērtību diapazonu. Pastāv 95 procentu iespējamība, ka šī mainīgā patiesā vērtība ir šajā diapazonā, un tikai 5 procentu iespējamība, ka patiesais mainīgais ir ārpus šī diapazona. Hipotēze "bez atšķirībām" ir ārpus 95 procentu diapazona.
Vienkāršoti izsakoties, pašreizējais mērījums liek domāt, ka neitrīni un antimatērijas neitrīni svārstās atšķirīgi, kaut arī noteiktība nepaaugstinās līdz līmenim, lai izteiktu galīgu apgalvojumu. Faktiski kritiķi uzsver, ka mērījumi ar šo statistiskās nozīmības līmeni ir jāuztver ļoti, ļoti skeptiski. Bet tas noteikti ir ārkārtīgi provokatīvs sākotnējais rezultāts, un pasaules zinātniskā sabiedrība ir ārkārtīgi ieinteresēta redzēt uzlabotus un precīzākus pētījumus.
T2K eksperiments turpinās reģistrēt papildu datus, cerot uz galīgu mērījumu veikšanu, taču tā nav vienīgā spēle pilsētā. Fermilabā, kas atrodas ārpus Čikāgas, līdzīgs eksperiments ar nosaukumu NOVA šauj gan neitrīnus, gan antimateriālus neitrīnus uz Minesotas ziemeļiem, cerot pārspēt T2K līdz perforatoram. Un, raugoties vairāk nākotnē, Fermilab smagi strādā pie tā vadošā eksperimenta ar nosaukumu DUNE (dziļā pazemes neitrino eksperiments), kuram būs daudz augstākas iespējas izpētīt šo svarīgo parādību.
Lai gan T2K rezultāts nav precīzs un ir jāievēro piesardzība, tas noteikti ir satraucošs. Ņemot vērā jautājuma milzīgumu, kāpēc mūsu visumam nav ievērojama antimateriāla, pasaules zinātnes sabiedrība ļoti gaidīs turpmākus atjauninājumus.
