Standardmodellen för partikelfysik har varit det dominerande sättet att förklara vad de grundläggande byggstenarna för materien är och hur de interagerar i årtionden. Först föreslog på 1970-talet, hävdar modellen att för varje skapad partikel finns det en anti-partikel. Som sådan är ett bestående mysterium som denna modell poserar varför universum kan existera om det teoretiskt består av lika delar av materia och antimateria.
Denna till synes olikhet, känd som CP-överträdelsen (CP), har varit föremål för experiment i många år. Men hittills har ingen definitiv demonstration gjorts för denna kränkning, eller hur så mycket materia kan existera i universumet utan dess motsvarighet. Men tack vare nya fynd som släppts av det internationella Tokai-till-Kamioka (T2K) samarbetet, kan vi vara ett steg närmare förstå varför denna skillnad finns.
Först observerades 1964 föreslår CP-kränkning att lagarna om laddningssymmetri och paritetssymmetri (aka CP-symmetri) inte gäller under vissa förhållanden. Dessa lagar säger att fysiken som styr en partikel borde vara densamma om den byts ut med dess antipartikel, medan dess rumsliga koordinater skulle inverteras. Från denna observation kom ett av de största kosmologiska mysterierna fram.
Om lagarna om materie och antimateria är desamma, varför är det så att universum är så materiedominerade? Alternativt, om materia och antimateria är väsentligt olika, hur överensstämmer det här med våra symmetriuppfattningar? Att svara på dessa frågor är inte bara viktigt när det gäller våra dominerande kosmologiska teorier, de är också inneboende för att förstå hur de svaga interaktioner som styr partiklar fungerar.
Det internationella T2K-samarbetet, som grundades i juni 2011, är det första experimentet i världen som ägnas åt att svara på detta mysterium genom att studera oscillationer med neutrino och anti-neutrino. Experimentet börjar med högintensiva strålar av muonneutrino (eller muon anti-neutrino) som genereras vid det japanska Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), som sedan avfyras mot Super-Kamiokande detektor 295 km bort.
Denna detektor är för närvarande en av världens största och mest sofistikerade, dedikerad till upptäckt och studier av sol- och atmosfärneutrino. När neutrinoer reser mellan de två anläggningarna, ändrar de "smak" - går från muonneutrino eller antinutrino till elektronneutrino eller anti-neutrino. Vid övervakning av dessa neutrino- och anti-neutrino-strålar övervakar experimentet olika svängningshastigheter.
Denna skillnad i oscillation skulle visa att det finns en obalans mellan partiklar och antipartiklar och därmed ger det första definitiva beviset för CP-brott för första gången. Det skulle också indikera att det finns fysik utöver standardmodellen som forskare ännu inte ska undersöka. Den senaste april släpptes den första datauppsättningen som producerats av T2K, vilket gav ett visst resultat.
Som Mark Hartz, en T2K-medarbetare och Kavli IPMU-projektassistent, sa i ett nyligen pressmeddelande:
"Medan datauppsättningarna fortfarande är för små för att göra ett slutgiltigt uttalande, har vi sett en svag preferens för stora CP-kränkningar och vi är glada över att fortsätta att samla in data och göra en mer känslig sökning efter CP-brott."
Dessa resultat, som nyligen publicerades i Physical Review Letters, inkludera alla datakörningar från januari 2010 till maj 2016. Totalt omfattade dessa uppgifter 7.482 x 1020 protoner (i neutrino-läge), vilket gav 32 elektronneutrino- och 135 muon-neutrinohändelser, och 7.471 × 1020 protoner (i antineutrino-läge), vilket gav 4 elektron-anti-neutrino- och 66 muon-neutrinohändelser.
Med andra ord har den första omgången av data gett en del bevis för CP-brott och med ett konfidensintervall på 90%. Men detta är bara början, och experimentet förväntas löpa i ytterligare tio år innan det samlas in. "Om vi har tur och CP-kränkningseffekten är stor, kan vi förvänta oss 3 bevis på sigma, eller cirka 99,7% konfidensnivå, för CP-brott senast 2026," sade Hartz.
Om experimentet visar sig vara framgångsrikt kan fysiker äntligen kunna svara på hur det är att det tidiga universum inte förstörde sig själv. Det är också troligt hjälp att avslöja aspekter av universum som partikelfysiker är angelägna om att komma in i! För det här som svaret på universums djupaste hemligheter, liksom hur alla dess grundläggande krafter passar ihop, troligen kommer att hittas.
