Τα νετρίνα μπορούν να λύσουν το μυστήριο της ύπαρξης του σύμπαντος. Neutrinos Suggest Solution to Mystery of Universe’s Existence

Ένα νετρίνο που διέρχεται από τον ανιχνευτή Super-Kamiokande δημιουργεί χαρακτηριστικές φωτεινές εκλάμψεις στον ανιχνευτή. Updated results from a Japanese neutrino experiment continue to reveal an inconsistency in the way that matter and antimatter behave. A neutrino passing through the Super-Kamiokande experiment creates a telltale light pattern on the detector walls. Credit: T2K Experiment/Super-Kamiokande Collaboration, Institute for Cosmic Ray Research, University of Tokyo

Στην Ιαπωνία πραγματοποιείται ένα πείραμα που θα μπορούσε να μας αποκαλύψει γιατί η ύλη κυριάρχησε σε σχέση με την αντιύλη στο σύμπαν μας αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη. Το πείραμα ονομάζεται Τ2Κ (Tokai-to-Kamioka, από το Τοκάι στην Καμιόκα). Στον επιταχυντή πρωτονίων που βρίσκεται στα ανατολικά παράλια του νησιού Χονσού, στο Tokai, παράγονται νετρίνα (το Τοkai είναι γνωστό ως το ορμητήριο του τέρατος Γκοτζίλα, από τις ομώνυμες κινηματογραφικές ταινίες επιστημονικής φαντασίας). Η δέσμη των νετρίνων αφού διανύσει μια απόσταση 295 χιλιομέτρων που καλύπτεται από διάφορα πετρώματα φθάνει στον υπόγειο ανιχνευτή Super-Kamiokande (Super-K) που περιέχει 50000 τόνους υπερ-καθαρού νερού. Κατά την διάρκεια αυτής της διαδρομής κάποια από αυτά τα νετρίνα αλλάζουν ταυτότητα (ταλαντώσεις νετρίνων).

Από τις πρώτες μετρήσεις που συνέλλεξε στις αρχές της δεκαετίας 2010 ο ανιχνευτής T2K έδειχναν ότι μερικά νετρίνα του μιονίου μετατρέπονται σε νετρίνα του ηλεκτρονίου. Παλαιότερες μετρήσεις με τους ανιχνευτές SNO και Super-K είχαν αποδείξει δυο άλλα είδη ταλαντώσεων νετρίνων, αλλά αυτή τη φορά οι φυσικοί είχαν άμεσες αποδείξεις για τον τρίτο τύπο μετασχηματισμού. Οι μετρήσεις έδειχναν πως μια χαρακτηριστική παράμετρος, η γωνία μείξης θ13, δεν είναι μηδενική. Αυτό το αποτέλεσμα δημιουργούσε τις πρώτες υποψίες πως τα νετρίνα και τα αντινετρίνα θα μπορούσαν να συμπεριφέρονται διαφορετικά κατά την αλληλεπίδρασή τους με την ύλη.

An early sign that neutrinos behave differently than antineutrinos suggests an answer to one of the biggest questions in physics. Credit: Olena Shmahalo/Quanta Magazine

Πέρυσι οι φυσικοί του πειράματος Τ2Κ ανέφεραν ότι μέσα από τις μετρήσεις τους θα μπορούσε να εξηγηθεί η υπεροχή της ύλης από την αντιύλη. Σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων σε κάθε στοιχειώδες σωματίδιο αντιστοιχεί ένα σωματίδιο-είδωλο, που φέρει αντίθετο φορτίο – ένα σωματίδιο αντιύλης. Όταν τα σωματίδια της ύλης συγκρούονται με τα σωματίδια αντιύλης τότε εξαϋλώνονται παράγοντας ακτινοβολία. Οι κοσμολόγοι πιστεύουν ότι κατά την Μεγάλη Έκρηξη θα έπρεπε να παραχθούν ίσες ποσότητες ύλης και αντιύλης, γεγονός που θα σήμαινε ότι θα έπρεπε να εξαφανιστούν αρκετά γρήγορα. Αλλά αυτό δεν συνέβη. Ένα πολύ μικρό ποσοστό της γνωστής μας ύλης επιβίωσε και αποτέλεσε το περιεχόμενο του σύμπαντός μας. Κι αυτό αποτελεί ένα μυστήριο που πρέπει να ξεδιαλύνουν οι φυσικοί.

Oι φυσικοί ελπίζουν ότι μέσα από την διερεύνηση της ασυμμετρίας στον τρόπο που συμπεριφέρονται τα νετρίνα (v) και τα αντινετρίνα(v̅), θα μπορούσαν να εξηγήσουν γιατί κυριάρχησε η ύλη της αντιύλης στο σύμπαν μας. Credit: Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

Προτάσεις υπάρχουν.  Ίσως να υπάρχουν κάποιες αντιδράσεις σωματιδίων που συμβαίνουν διαφορετικά για την ύλη και την αντιύλη, π.χ. η αντιύλη μπορεί να διασπάται με διαφορετικό τρόπο δε σχέση με την ύλη. Αν συμβαίνει κάτι τέτοιο τότε θα παραβιαζόταν η συμμετρία φορτίο-ομοτιμίας (CP – Charge Parity), σύμφωνα με την οποία οι νόμοι της φυσικής δεν θα αλλάξουν αν τα σωματίδια της ύλης αντικατασταθούν με συμμετρικά κατοπτρικά σωματίδια, αντίθετου φορτίου – τα αντισωματίδιά τους. Η συμμετρία CP ισχύει για τα περισσότερα σωματίδια, όχι όμως για όλα. Τα κουάρκ παραβιάζουν την συμμετρία, αλλά οι αποκλίσεις είναι τόσο μικρές που δεν μπορούν να εξηγήσουν  γιατί η ύλη κυριάρχησε ολοκληρωτικά της αντιύλης στο σύμπαν μας. Πέρυσι, η φυσικοί του πειράματος T2K ανακοίνωσαν την πρώτη ένδειξη ότι τα νετρίνα δεν υπακούουν στην συμμετρία CP, κάτι που θα μπορούσε να εξηγήσει την κυριαρχία της ύλης στον κόσμο μας.

Στην περίπτωση των νετρίνων, οι επιστήμονες του T2K διερευνούν το πώς τα νετρίνα και τα αντινετρίνα ταλαντώνονται ή μεταμορφώνονται, καθώς τα σωματίδια φτάνουν στον ανιχνευτή Super-K. Το 2016, 32 νετρίνα του μιονίου μετατράπηκαν σε νετρίνα του ηλεκτρονίου κατά την διάρκεια της διαδρομής τους προς τον Super-K. Όταν οι ερευνητές έστειλαν αντινετρίνα του μιονίου, μόνο τέσσερα από αυτά έγιναν αντινετρίνα του ηλεκτρονίου.

Αυτό το αποτέλεσμα ενθάρρυνε τους φυσικούς – παρόλο που το δείγμα ήταν πολύ μικρό και υπήρχε πιθανότητα 10% η διαφορά να είναι απλώς μια στατιστική διακύμανση. Για σύγκριση, η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs είχε πιθανότητα μικρότερη από 1 στο εκατομμύριο το σήμα να είναι μια στατιστική διακύμανση).

Φέτος, οι ερευνητές συνέλεξαν σχεδόν το διπλάσιο των δεδομένων σε σχέση με το 2016. Ο ανιχνευτής Super-K ανίχνευσε 89 νετρίνα του ηλεκτρονίου, πολύ περισσότερα από τα 67 που θα έπρεπε να ανιχνευτούν αν δεν υπήρχε παραβίαση της συμμετρία CP. Kαι στο πείραμα εντοπίστηκαν μόνο επτά αντινετρίνα του ηλεκτρονίου, δυο λιγότερα από το αναμενόμενο.

Οι ερευνητές δεν ισχυρίζονται ότι πρόκειται για μια ξεκάθαρη ανακάλυψη. Επειδή τα δεδομένα είναι λίγα, υπάρχει μια πιθανότητα 1 προς 20 να είναι απλά ένα στατιστικό σφάλμα και να μην υφίσταται παραβίαση της CP συμμετρίας. Η ανακάλυψη θα γίνει αποδεκτή όταν η πιθανότητα στατιστικού σφάλματος μειωθεί στα 3 προς 1000, κάτι που θα επιτευχθεί μέχρι τα μέσα της δεκαετίας 2020.

Πηγές: https://www.quantamagazine.org/neutrinos-suggest-solution-to-mystery-of-universes-existence-20171212/?=1&utm_content=buffer9f6e2&utm_medium=social&utm_source=twitter.com&utm_campaign= - https://physicsgg.me/2017/12/14/τα-νετρίνα-μπορούν-να-λύσουν-το-μυστήρ/