ΔΙΑΦΗΜΙΣΗ

Γιατί η «Ύλη» κυριαρχεί στο Σύμπαν και όχι η «Αντιύλη»; Στο Quest of Why Universe Exists

Στο πολύ πρώιμο σύμπαν, αμέσως μετά τη Μεγάλη Έκρηξη, η «ύλη» και η «αντιύλη» υπήρχαν και τα δύο σε ίσο ποσό. Ωστόσο, για τους άγνωστους μέχρι στιγμής λόγους, η «ύλη» κυριαρχεί στο παρόν σύμπαν. Οι ερευνητές του T2K έδειξαν πρόσφατα την εμφάνιση πιθανής παραβίασης της ισοτιμίας φορτίου στο νετρίνο και τις αντίστοιχες ταλαντώσεις κατά των νετρίνων. Αυτό είναι ένα βήμα προς τα εμπρός για την κατανόηση του γιατί η ύλη κυριαρχεί στο σύμπαν.

Η Μεγάλη Έκρηξη (η οποία συνέβη πριν από περίπου 13.8 δισεκατομμύρια χρόνια) και άλλες σχετικές θεωρίες της φυσικής υποδηλώνουν ότι η πρώιμη σύμπαν was radiation ‘dominant’ and the ‘matter’ and the ‘αντιύληΥπήρχε ισόποσα.

Αλλά το σύμπαν που γνωρίζουμε σήμερα κυριαρχεί στην «ύλη». Γιατί; Αυτό είναι ένα από τα πιο συναρπαστικά μυστήρια του σύμπαντος. (1).

Η σύμπαν που ξέρουμε ότι σήμερα ξεκίνησε με ίσες ποσότητες «ύλης» και «αντιύλης», και τα δύο δημιουργήθηκαν σε ζεύγη όπως θα απαιτούσε ο νόμος της φύσης και στη συνέχεια εκμηδενίστηκαν παράγοντας επανειλημμένα ακτινοβολία γνωστή ως «κοσμική ακτινοβολία υποβάθρου». Μέσα σε περίπου 100 μικροδευτερόλεπτα από τη Μεγάλη Έκρηξη η ύλη (σωματίδια) άρχισε κατά κάποιο τρόπο να υπερτερεί του αντισωματιδίου κατά ένα ας πούμε σε κάθε δισεκατομμύριο και μέσα σε δευτερόλεπτα όλη η αντιύλη καταστράφηκε, αφήνοντας πίσω μόνο την ύλη.

Ποια είναι η διαδικασία ή ο μηχανισμός που θα δημιουργούσε αυτό το είδος διαφοράς ή ασυμμετρίας μεταξύ της ύλης και της αντιύλης;

Το 1967, ο Ρώσος θεωρητικός φυσικός Αντρέι Ζαχάρωφ υπέθεσε τρεις προϋποθέσεις απαραίτητες για να συμβεί μια ανισορροπία (ή παραγωγή ύλης και αντιύλης με διαφορετικούς ρυθμούς) στο σύμπαν. Η πρώτη συνθήκη Ζαχάρωφ είναι η παραβίαση του αριθμού βαρυονίου (ένας κβαντικός αριθμός που παραμένει διατηρημένος σε μια αλληλεπίδραση). Σημαίνει ότι τα πρωτόνια διασπώνται εξαιρετικά αργά σε ελαφρύτερα υποατομικά σωματίδια όπως ένα ουδέτερο πιόνιο και ένα ποζιτρόνιο. Ομοίως, ένα αντιπρωτόνιο διασπάστηκε σε ένα πιόνιο και ένα ηλεκτρόνιο. Η δεύτερη προϋπόθεση είναι η παραβίαση της συμμετρίας σύζευξης φορτίου, C, και της συμμετρίας σύζευξης φορτίου-ισοτιμίας, η CP που ονομάζεται επίσης παραβίαση φόρτισης-ισοτιμίας. Τρίτη προϋπόθεση είναι ότι η διεργασία που δημιουργεί ασυμμετρία βαρυονίου δεν πρέπει να βρίσκεται σε θερμική ισορροπία λόγω της ταχείας διαστολής που μειώνει την εμφάνιση εκμηδενισμού ζευγών.

Είναι το δεύτερο κριτήριο παραβίασης του CP του Ζαχάρωφ, το οποίο είναι ένα παράδειγμα ενός είδους ασυμμετρίας μεταξύ των σωματιδίων και των αντισωματιδίων τους που περιγράφει τον τρόπο διάσπασής τους. Συγκρίνοντας τον τρόπο με τον οποίο συμπεριφέρονται τα σωματίδια και τα αντισωματίδια, δηλαδή τον τρόπο με τον οποίο κινούνται, αλληλεπιδρούν και αποσυντίθενται, οι επιστήμονες μπορούν να βρουν στοιχεία αυτής της ασυμμετρίας. Η παραβίαση CP παρέχει απόδειξη ότι ορισμένες άγνωστες φυσικές διεργασίες είναι υπεύθυνες για τη διαφορική παραγωγή ύλης και αντιύλης.

Οι ηλεκτρομαγνητικές και οι «ισχυρές αλληλεπιδράσεις» είναι γνωστό ότι είναι συμμετρικές κάτω από το C και το P, και κατά συνέπεια είναι επίσης συμμετρικές κάτω από το γινόμενο CP (3). ''Ωστόσο, αυτό δεν ισχύει απαραίτητα για την "αδύναμη αλληλεπίδραση", η οποία παραβιάζει και τις δύο συμμετρίες C και P." λέει ο καθηγητής BA Robson. Λέει περαιτέρω ότι «η παραβίαση του CP σε ασθενείς αλληλεπιδράσεις υποδηλώνει ότι τέτοιες φυσικές διεργασίες θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε έμμεση παραβίαση του αριθμού του βαρυονίου, έτσι ώστε η δημιουργία ύλης να προτιμάται από τη δημιουργία αντιύλης». Τα σωματίδια που δεν είναι κουάρκ δεν εμφανίζουν παραβιάσεις CP, ενώ η παραβίαση CP στα κουάρκ είναι πολύ μικρή και είναι ασήμαντη για να έχει διαφορά στη δημιουργία ύλης και αντιύλης. Έτσι, η παραβίαση του CP στα λεπτόνια (νετρίνα) γίνεται σημαντική και αν αποδειχθεί τότε θα απαντούσε γιατί το σύμπαν είναι κυρίαρχη ύλη.

Αν και η παραβίαση της συμμετρίας CP δεν έχει ακόμη αποδειχθεί οριστικά (1), αλλά τα ευρήματα που αναφέρθηκαν από την ομάδα T2K πρόσφατα δείχνουν ότι οι επιστήμονες είναι πολύ κοντά σε αυτήν. Έχει αποδειχθεί για πρώτη φορά ότι η μετάβαση από σωματίδιο σε ηλεκτρόνιο και νετρίνο ευνοείται έναντι της μετάβασης από αντισωματίδιο σε ηλεκτρόνιο και αντινετρίνο, μέσω εξαιρετικά εξελιγμένων πειραμάτων στο T2K (Tokai σε Kamioka) (2). Το T2K αναφέρεται σε ένα ζευγάρι εργαστηρίων, το Ιαπωνικό Ερευνητικό Σύμπλεγμα Επιταχυντή Πρωτονίων (J-Parc) στο Τόκαϊ και το υπόγειο παρατηρητήριο νετρίνων Super-Kamiokande στο Καμιόκα, Ιαπωνία, που χωρίζονται από περίπου 300 χλμ. Ο επιταχυντής πρωτονίων στο Tokai παρήγαγε τα σωματίδια και τα αντισωματίδια από συγκρούσεις υψηλής ενέργειας και οι ανιχνευτές στο Kamioka παρατήρησαν τα νετρίνα και τα αντίστοιχα της αντιύλης, τα αντινετρίνα κάνοντας πολύ ακριβείς μετρήσεις.

Μετά την ανάλυση πολλών ετών δεδομένων στο T2K, οι επιστήμονες μπόρεσαν να μετρήσουν την παράμετρο που ονομάζεται δέλτα-CP, η οποία διέπει τη διακοπή της συμμετρίας CP στην ταλάντωση των νετρίνων και βρήκαν την αναντιστοιχία ή μια προτίμηση για ενίσχυση του ρυθμού των νετρίνων που μπορεί τελικά να οδηγήσει σε την επιβεβαίωση παραβίασης CP στον τρόπο ταλάντωσης των νετρίνων και των αντινετρίνων. Τα αποτελέσματα που βρέθηκαν από την ομάδα T2K είναι σημαντικά σε στατιστική σημασία 3-σίγμα ή 99.7% επίπεδο εμπιστοσύνης. Είναι ένα επίτευγμα ορόσημο καθώς η επιβεβαίωση της παραβίασης της CP με νετρίνα συνδέεται με την κυριαρχία της ύλης στο σύμπαν. Περαιτέρω πειράματα με μεγαλύτερη βάση δεδομένων θα ελέγξουν εάν αυτή η παραβίαση της λεπτονικής συμμετρίας CP είναι μεγαλύτερη από την παραβίαση CP στα κουάρκ. Αν είναι έτσι τότε θα έχουμε επιτέλους την απάντηση στο ερώτημα Γιατί το σύμπαν είναι κυρίαρχο στην ύλη.

Αν και το πείραμα T2K δεν αποδεικνύει ξεκάθαρα ότι έχει συμβεί παραβίαση συμμετρίας CP, αλλά είναι ένα ορόσημο με την έννοια ότι δείχνει οριστικά μια ισχυρή προτίμηση για ενισχυμένο ρυθμό νετρονίων ηλεκτρονίων και μας φέρνει πιο κοντά στην απόδειξη της εμφάνισης παραβίασης συμμετρίας CP και τελικά στην απαντήστε «γιατί το σύμπαν κυριαρχεί στην ύλη».

***

αναφορές:

1. Πανεπιστήμιο του Τόκιο, 2020. ''Τα αποτελέσματα T2K περιορίζουν τις πιθανές τιμές της φάσης CP Νετρίνων -…..'' Δελτίο Τύπου Δημοσιεύθηκε στις 16 Απριλίου 2020. Διαθέσιμο στο Διαδίκτυο στο http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Πρόσβαση στις 17 Απριλίου 2020.

2. The T2K Collaboration, 2020. Περιορισμός στη φάση παραβίασης της συμμετρίας ύλης-αντιύλης στις ταλαντώσεις νετρίνων. Nature τόμος 580, σελίδες 339–344 (2020). Δημοσιεύθηκε: 15 Απριλίου 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

3. Robson, BA, 2018. The Matter-Antimatter Asymmetry Problem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015

***

Εγγραφείτε στο newsletter μας

Για ενημέρωση με όλες τις τελευταίες ειδήσεις, προσφορές και ειδικές ανακοινώσεις.

Τα πιο δημοφιλή άρθρα

Από τι αποτελούμαστε τελικά; Ποια είναι τα θεμελιώδη δομικά στοιχεία του...

Οι αρχαίοι άνθρωποι πίστευαν ότι αποτελούμαστε από τέσσερις...

Αξιοποιώντας τη Βιοκατάλυση για την παραγωγή Βιοπλαστικών

Αυτά τα σύντομα άρθρα εξηγούν τι είναι η βιοκατάλυση, τη σημασία της...
- Διαφήμιση -
94,669ΑνεμιστήρεςΑρέσει
47,715οπαδούςΑκολουθώ
1,772οπαδούςΑκολουθώ
30ΣυνδρομητέςΕγγραφείτε