Forskare njuter av att utforska mysterier, och ju större mysteriet, desto större är entusiasmen. Det finns många enorma obesvarade frågor inom vetenskapen, men när du blir stor är det svårt att slå "Varför finns det något istället för ingenting?"
Det kan verka som en filosofisk fråga, men det är en som är mycket mottaglig för vetenskaplig undersökning. Påstått lite mer konkret, "Varför är universum tillverkat av de slags ämnen som gör mänskligt liv möjligt så att vi till och med kan ställa denna fråga?" Forskare som bedriver forskning i Japan har meddelat en mätning förra månaden som direkt tar upp det mest fascinerande av förfrågningar. Det verkar som att deras mätning inte stämmer med de enklaste förväntningarna från den aktuella teorin och mycket väl kan peka mot ett svar på denna tidlösa fråga.
Deras mätning verkar säga att för en viss uppsättning subatomiska partiklar verkar materia och antimateria annorlunda.
Matter v. Antimatter
Med hjälp av J-PARC-acceleratorn, belägen i Tokai, Japan, avfyrade forskare en stråle av spöklikt subatomära partiklar som kallades neutrino och deras antimateriella motsvarigheter (antineutrino) genom jorden till Super Kamiokande-experimentet, beläget i Kamioka, också i Japan. Detta experiment, kallad T2K (Tokai till Kamiokande), är utformat för att bestämma varför vårt universum är gjord av materia. Ett speciellt beteende som neutrino har visat, kallat neutrino-svängning, kan kasta lite ljus på detta mycket irriterande problem.
Att fråga varför universum är tillverkat av materia kan låta som en konstig fråga, men det finns en mycket god anledning att forskare är förvånade över detta. Det beror på att forskare, förutom att veta om materiens existens, också känner till antimateria.
1928 föreslog den brittiska fysikern Paul Dirac förekomsten av antimateria - ett antagonistiskt syskon av materia. Kombinera lika stora mängder materia och antimateria och de två förintar varandra, vilket resulterar i att en enorm mängd energi frigörs. Och eftersom fysikprinciper vanligtvis fungerar lika bra i omvänd riktning, om du har en enorm mängd energi, kan den omvandlas till exakt lika stora mängder materia och antimateria. Antimatter upptäcktes 1932 av amerikanen Carl Anderson och forskare har haft nästan ett sekel att studera dess egenskaper.
Emellertid är frasen "i exakt lika stora mängder" kärnan i conundrum. I de korta stunderna omedelbart efter Big Bang var universum fullt av energi. När den expanderade och kyldes, borde den energin ha omvandlats till lika delar ämnen och antimateriella subatomära partiklar, vilket borde kunna observeras idag. Och ändå består vårt universum väsentligen helt av materia. Hur kan det vara?
Genom att räkna antalet atomer i universum och jämföra det med den mängd energi vi ser, bestämde forskare att "exakt lika" inte är helt rätt. På något sätt, när universum var ungefär en tiondel av en biljon av en sekund gammal, skissade naturlagarna allt så litet i materiens riktning. För varje 3 000 000 000 antimateriella partiklar fanns det 3 000 000 001 materialpartiklar. De 3 miljarder materiapartiklarna och 3 miljarder antimateriapartiklarna kombinerades - och förintades tillbaka till energi, vilket lämnar det lilla materialöverskottet för att bilda det universum vi ser idag.
Eftersom detta pussel förstås för nästan ett sekel sedan har forskare studerat materia och antimateria för att se om de kunde hitta beteende i subatomära partiklar som skulle förklara överskottet av materia. De är övertygade om att materie och antimateria tillverkas i lika stora mängder, men de har också observerat att en klass subatomiska partiklar som kallas kvarkar uppvisar beteenden som något gynnar materien framför antimateria. Den specifika mätningen var subtil och involverade en klass av partiklar som kallas K-mesoner som kan omvandlas från materia till antimateria och tillbaka igen. Men det är en liten skillnad i materieomvandling till antimateria jämfört med det omvända. Detta fenomen var oväntat och dess upptäckt ledde till Nobelpriset 1980, men effekten var inte tillräckligt för att förklara varför materien dominerar i vårt universum.
Spöklikt strålar
Således har forskare uppmärksammat neutrinoer för att se om deras beteende kan förklara överskottsämnet. Neutrino är spöken i den subatomära världen. Genom att interagera endast med den svaga kärnkraften kan de passera materien utan att nästan alls interagera. För att ge en känsla av skala skapas neutrinoer oftast i kärnreaktioner och den största kärnreaktorn runt är solen. Att skydda sig själv från hälften av solneutrinoerna skulle ta en massa av bly i ungefär 5 ljusår i djupet. Neutrino interagerar verkligen inte så mycket.
Mellan 1998 och 2001 visade en serie experiment - ett med Super Kamiokande-detektorn och en annan med SNO-detektorn i Sudbury, Ontario - definitivt att neutrinoer också uppvisar ett annat förvånande beteende. De ändrar sin identitet.
Fysiker känner till tre olika typer av neutrinoer, var och en förknippad med ett unikt subatomiskt syskon, kallad elektroner, muoner och taus. Elektroner är det som orsakar elektricitet och muon- och taupartiklarna liknar elektroner, men tyngre och instabila.
De tre typerna av neutrino, kallad elektronneutrino, muonneutrino och tau neutrino, kan "förändras" i andra typer av neutrinoer och tillbaka igen. Detta beteende kallas neutrino oscillation.
Neutrino-svängning är ett unikt kvantfenomen, men det är ungefär analogt med att börja med en skål med vaniljglass och när du har hittat en sked kommer du tillbaka och upptäcker att skålen är halv vanilj och halv choklad. Neutrino förändrar sin identitet från att vara helt en typ, till en blandning av typer, till en helt annan typ och sedan tillbaka till den ursprungliga typen.
Antineutrino-svängningar
Neutrino är substanspartiklar, men antimateriella neutrinoer, kallade antineutrino, finns också. Och det leder till en mycket viktig fråga. Neutrino oscillerar, men svänger antineutrino också och svänger de på exakt samma sätt som neutrino? Svaret på den första frågan är ja medan svaret på den andra inte är känt.
Låt oss överväga detta lite mer fullständigt, men på ett förenklat sätt: Anta att det bara fanns två neutrino-typer - muon och elektron. Anta vidare att du hade en stråle av rent neutroner av muontyp. Neutrinos oscillerar med en specifik hastighet och eftersom de rör sig nära ljusets hastighet, oscillerar de som en funktion av avståndet från var de skapades. Således kommer en stråle av rena muonneutrinoer att se ut som en blandning av muon- och elektrontyper på något avstånd, sedan rent elektrontyper på ett annat avstånd och sedan tillbaka till endast muon. Antimateriella neutrinoer gör samma sak.
Men om materia och antimateria neutrino oscillerar i något olika hastigheter, kan du förvänta dig att om du var ett fast avstånd från den punkt där en stråle av rena muonneutrino eller muon antineutrino skapades, så i neutrino fallet en blandning av muon- och elektronneutrino, men i antimateria neutrino-fallet ser du en annan blandning av antimateria-muon- och elektronneutrino. Den faktiska situationen kompliceras av det faktum att det finns tre typer av neutrino och svängningen beror på strålenergi, men det är de stora idéerna.
Observationen av olika oscillationsfrekvenser av neutrino och antineutrino skulle vara ett viktigt steg mot att förstå det faktum att universum är tillverkat av materia. Det är inte hela historien, för ytterligare nya fenomen måste också hålla, men skillnaden mellan materia och antimateriella neutrinoer är nödvändig för att förklara varför det finns mer materia i universum.
I den nuvarande rådande teorin som beskriver neutrino-interaktioner finns det en variabel som är känslig för möjligheten att neutrino och antineutrino svänger annorlunda. Om den variabeln är noll oscillerar de två typerna av partiklar med samma hastigheter; om den variabelen skiljer sig från noll, svänger de två partikeltyperna på olika sätt.
När T2K mätte denna variabel, fann de att den var i strid med hypotesen att neutrino och antineutrino oscillerar identiskt. Lite mer tekniskt bestämde de ett intervall av möjliga värden för denna variabel. Det finns 95 procents chans att det verkliga värdet för den variabeln ligger inom det intervallet och bara 5 procent chans att den sanna variabeln ligger utanför det intervallet. Hypotesen "ingen skillnad" ligger utanför 95 procentintervallet.
I enklare termer antyder den aktuella mätningen att neutrinoer och antimateriella neutrinoer svänger annorlunda, även om säkerheten inte stiger till nivån för att göra ett definitivt påstående. Faktum är att kritiker påpekar att mätningar med denna statistiska betydelse bör ses mycket, mycket skeptiskt. Men det är verkligen ett enormt provocerande initialresultat, och världens vetenskapliga samhälle är oerhört intresserad av att se förbättrade och mer exakta studier.
T2K-experimentet kommer att fortsätta att spela in ytterligare data i hopp om att göra en definitiv mätning, men det är inte det enda spelet i stan. Vid Fermilab, beläget utanför Chicago, skjuter ett liknande experiment som kallas NOVA både neutrinoer och antimateriella neutrinoer i norra Minnesota i hopp om att slå T2K till stansen. Och när vi ser mer på framtiden arbetar Fermilab hårt med vad som kommer att bli dess flaggskeppsexperiment, kallad DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), som kommer att ha mycket överlägsna förmågor att studera detta viktiga fenomen.
Även om T2K-resultatet inte är definitivt och försiktighet garanteras, är det verkligen lockande. Med tanke på den enorma frågan om varför vårt universum verkar inte ha någon märkbar antimateria, kommer världens vetenskapliga samfund att vänta absolut på ytterligare uppdateringar.
