Para saintis bersenang-senang dalam meneroka misteri, dan misteri yang lebih besar, semakin banyak semangat. Terdapat banyak soalan yang tidak dijawab dalam bidang sains, tetapi apabila anda akan menjadi besar, sukar untuk mengalahkan "Mengapa ada sesuatu, bukan apa-apa?"
Itu mungkin kelihatan seperti soalan falsafah, tetapi ia adalah satu yang sangat sesuai untuk siasatan saintifik. Diriwayatkan sedikit lebih konkrit, "Mengapa alam semesta dibuat daripada jenis perkara yang menjadikan kehidupan manusia mungkin supaya kita dapat menanyakan soalan ini?" Para saintis yang menjalankan penyelidikan di Jepun telah mengumumkan pengukuran bulan lepas yang secara langsung menujukan bahawa pertanyaan yang paling menarik. Nampaknya pengukuran mereka tidak sesuai dengan harapan yang paling mudah dari teori semasa dan boleh menunjukkan ke arah jawaban soalan abadi ini.
Pengukuran mereka seolah-olah mengatakan bahawa untuk satu set zarah subatomic, perkara dan antimatter bertindak secara berbeza.
Matter v. Antimatter
Menggunakan pemecut J-PARC, yang terletak di Tokai, Jepun, para ahli sains melepaskan rasuk zarah subatom hantu yang dipanggil neutrinos dan rakan antimatter mereka (antineutrinos) menerusi Bumi ke eksperimen Super Kamiokande, yang terletak di Kamioka, juga di Jepun. Percubaan ini, yang dipanggil T2K (Tokai kepada Kamiokande), direka untuk menentukan mengapa alam semesta kita terbuat dari bahan. Tingkah laku pelik yang dipamerkan oleh neutrinos, yang dipanggil ayunan neutrino, mungkin memberikan sedikit cahaya pada masalah yang sangat menyakitkan ini.
Menanya mengapa alam semesta diperbuat daripada perkara mungkin seperti soalan yang aneh, tetapi ada sebab yang sangat baik bahawa saintis terkejut dengan ini. Ini kerana, selain mengetahui kewujudan bahan, saintis juga mengetahui antimatter.
Pada tahun 1928, ahli fizik British Paul Dirac mencadangkan kewujudan antimatter - adik beradik yang berselisih. Menggabungkan jumlah bahan dan antimatter yang sama dan kedua-duanya memusnahkan satu sama lain, mengakibatkan pengeluaran sejumlah besar tenaga. Dan, kerana prinsip-prinsip fizik biasanya berfungsi dengan baik sama sekali, jika anda mempunyai kuantiti tenaga yang luar biasa, ia boleh ditukarkan kepada jumlah bahan dan antimatter yang sama. Antimatter ditemui pada tahun 1932 oleh Amerika Carl Anderson dan penyelidik mempunyai hampir satu abad untuk mengkaji sifatnya.
Walau bagaimanapun, frasa "teka-teki yang sama dengan jumlahnya" adalah inti dari teka-teki. Dalam momen ringkas sejurus selepas Big Bang, alam semesta penuh dengan tenaga. Memandangkan ia berkembang dan didinginkan, tenaga itu sepatutnya ditukarkan menjadi zarah subatomik yang penting dan antimatter yang harus dilihat pada hari ini. Namun alam semesta kita pada dasarnya terdiri daripada perkara. Bagaimana keadaannya?
Dengan mengira bilangan atom di alam semesta dan membandingkannya dengan jumlah tenaga yang kita lihat, saintis menentukan bahawa "betul-betul sama" tidak cukup tepat. Entah bagaimana, apabila alam semesta adalah kira-kira sepersepuluh trilion tua yang kedua, undang-undang alam semula jadi condong ke arah yang sedikit. Bagi setiap 3,000,000,000 zarah antimatter, terdapat 3,000,000,001 zarah perkara. Zarah 3 bilion zarah dan 3 bilion zarah antimatter digabungkan - dan dihapuskan semula menjadi tenaga, meninggalkan sedikit kelebihan untuk membentuk alam semesta yang kita lihat hari ini.
Oleh kerana teka-teki ini difahami hampir seabad yang lalu, para penyelidik telah mengkaji perkara dan antimatter untuk melihat sama ada mereka boleh mencari tingkah laku dalam zarah subatom yang akan menjelaskan lebihan perkara. Mereka yakin bahawa bahan dan antimatter dibuat dalam kuantiti yang sama, tetapi mereka juga telah melihat bahawa kelas zat subatomic yang dipanggil quarks menunjukkan tingkah laku yang sedikit memihak kepada bahan berbanding antimatter. Pengukuran tertentu itu halus, melibatkan kelas zarah yang dipanggil K mesons yang boleh menukar dari bahan menjadi antimatter dan kembali lagi. Tetapi terdapat sedikit perbezaan dalam perkara yang ditukar kepada antimatter berbanding dengan sebaliknya. Fenomena ini tidak dijangka dan penemuannya membawa kepada hadiah Nobel 1980, tetapi magnitud kesannya tidak cukup untuk menjelaskan mengapa perkara menguasai alam semesta kita.
Rasuk hantu
Oleh itu, saintis telah menumpukan perhatian mereka kepada neutrino, untuk melihat apakah tingkah laku mereka dapat menjelaskan perkara yang berlebihan. Neutrinos adalah hantu dari dunia subatomik. Berinteraksi melalui hanya tenaga nuklear yang lemah, mereka boleh melalui perkara tanpa berinteraksi hampir sama sekali. Untuk memberi makna skala, neutrinos paling umum dibuat dalam tindak balas nuklear dan reaktor nuklear terbesar di sekeliling adalah Matahari. Untuk melindungi diri seseorang dari separuh neutrino solar akan mengambil jisim memimpin pepejal sekitar 5 tahun cahaya secara mendalam. Neutrinos benar-benar tidak berinteraksi dengan sangat.
Antara tahun 1998 dan 2001, satu siri eksperimen - satu menggunakan pengesan Super Kamiokande, dan satu lagi menggunakan pengesan SNO di Sudbury, Ontario - membuktikan secara pasti bahawa neutrinos juga menunjukkan satu lagi kelakuan yang mengejutkan. Mereka menukar identiti mereka.
Ahli fizik tahu tiga jenis neutrino yang berbeza, masing-masing dikaitkan dengan saudara subtomi yang unik, yang dikenali sebagai elektron, muons dan taus. Elektron adalah apa yang menyebabkan elektrik dan zarah muon dan tau sangat seperti elektron, tetapi lebih berat dan tidak stabil.
Tiga jenis neutrinos, yang disebut neutrino elektron, muon neutrino dan tau neutrino, boleh "morph" ke dalam jenis neutrino lain dan kembali lagi. Tingkah laku ini dinamakan ayunan neutrino.
Osilasi Neutrino adalah fenomena kuantum yang unik, tetapi ia hampir sama dengan bermula dengan semangkuk ais krim vanila dan, selepas anda pergi dan mencari sudu, anda kembali untuk mendapati bahawa mangkuk itu adalah setengah vanila dan setengah coklat. Neutrinos mengubah identiti mereka daripada satu jenis, kepada jenis campuran, kepada jenis yang sama sekali berbeza, dan kemudian kembali kepada jenis asal.
Ayunan Antineutrino
Neutrinos adalah zarah materi, tetapi neutrinos antimatter, yang dipanggil antineutrinos, juga wujud. Dan ini membawa kepada soalan yang sangat penting. Neutrinos berayun, tetapi adakah antineutrinos juga berayun dan adakah mereka berayun dengan cara yang sama seperti neutrino? Jawapan kepada soalan pertama adalah ya, sementara jawapan kepada yang kedua tidak diketahui.
Mari kita pertimbangkan ini sedikit lebih lengkap, tetapi dengan cara yang mudah: Katakan bahawa terdapat hanya dua jenis neutrino - muon dan elektron. Katakan terus bahawa anda mempunyai rasuk neutrinos purna murni murni. Neutrinos berayun pada kelajuan tertentu dan, memandangkan mereka bergerak berhampiran kelajuan cahaya, mereka berayun sebagai fungsi jarak dari mana ia diciptakan. Oleh itu, rasuk neutrinos muon tulen akan kelihatan seperti campuran muon dan jenis elektron pada jarak tertentu, kemudian jenis elektron semata-mata pada jarak yang lain dan kemudian kembali ke muon-sahaja. Neutrino antimatter melakukan perkara yang sama.
Walau bagaimanapun, jika neutrino bahan dan antimatter berayun pada kadar yang sedikit berbeza, anda akan menjangkakan bahawa jika anda adalah jarak tetap dari titik di mana rasuk neutrinos muon tulen atau muon antineutrinos dicipta, maka dalam kes neutrino anda akan melihat satu gabungan muon dan neutrinos elektron, tetapi dalam kes antimatter neutrino, anda akan melihat gabungan berbeza muon antimatter dan neutrino elektron. Keadaan sebenarnya rumit oleh fakta bahawa terdapat tiga jenis neutrinos dan ayunan bergantung kepada tenaga rasuk, tetapi ini adalah idea-idea besar.
Pemerhatian frekuensi ayunan yang berbeza oleh neutrinos dan antineutrinos akan menjadi langkah penting ke arah memahami fakta bahawa alam semesta diperbuat daripada perkara. Bukan cerita keseluruhannya, kerana fenomena baru tambahan juga mesti dipertahankan, tetapi perbezaan antara bahan dan neutrino antimatter adalah perlu untuk menjelaskan mengapa terdapat lebih banyak perkara di alam semesta.
Dalam teori semasa yang menggambarkan interaksi neutrino, terdapat pemboleh ubah yang sensitif terhadap kemungkinan neutrino dan antineutrinos berayun secara berbeza. Jika pemboleh ubah itu sifar, kedua-dua jenis zarah berayun pada kadar yang sama; jika pemboleh ubah itu berbeza daripada sifar, kedua-dua jenis zarah berayun secara berbeza.
Apabila T2K mengukur pembolehubah ini, mereka mendapati ia tidak konsisten dengan hipotesis bahawa neutrinos dan antineutrinos berayun sama. Sedikit lebih teknikal, mereka menentukan pelbagai nilai yang mungkin untuk pembolehubah ini. Terdapat kemungkinan 95 peratus bahawa nilai sebenar bagi pemboleh ubah itu berada dalam rentang itu dan hanya peluang 5 peratus bahawa pembolehubah benar berada di luar jangkauan itu. Hipotesis "tiada perbezaan" di luar 95 peratus.
Secara ringkas, pengukuran semasa menunjukkan bahawa neutrino neutrino dan antimatter neutrino berayun secara berbeza, walaupun kepastian tidak naik ke peringkat untuk membuat tuntutan muktamad. Malah, pengkritik menunjukkan bahawa pengukuran dengan tahap statistik ini harus dipandang sangat, sangat skeptis. Tetapi ia sememangnya hasil awal yang sangat provokatif, dan masyarakat saintifik dunia sangat berminat untuk melihat kajian yang lebih baik dan lebih tepat.
Eksperimen T2K akan terus merakam data tambahan dengan harapan untuk membuat pengukuran yang pasti, tetapi bukan satu-satunya permainan di bandar. Di Fermilab, yang terletak di luar Chicago, eksperimen serupa yang dinamakan NOVA menembak neutrinos neutrino dan antimatter neutrinos ke utara Minnesota, dengan harapan untuk mengalahkan T2K ke punch. Dan, melihat lebih banyak masa akan datang, Fermilab bekerja keras pada apa yang akan menjadi percubaan utama, yang dipanggil DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), yang akan memiliki keupayaan yang jauh lebih unggul untuk mengkaji fenomena penting ini.
Walaupun keputusan T2K tidak muktamad dan berhati-hati, ia pasti mengujakan. Memandangkan besarnya persoalan mengapa alam semesta kita nampaknya tidak mempunyai antimatter yang ketara, komuniti saintifik dunia akan terus menunggu perkembangan terkini.
