9 Minuten
Viskas, ką matome aplink – nuo dirvožemio ir akmenų iki žvaigždžių ir tolimų galaktikų – sudaryta iš materijos. Tačiau pagal vyraujančią ankstyvosios visatos teoriją Didysis sprogimas turėjo sukurti beveik lygias materijos ir antimaterijos dalis. Susitikę materijos ir antimaterijos dalelės sunaikina viena kitą, virsta energija, tad visatoje turėtų dominuoti tik spinduliuotė – be atomų, planetų ar stebėtojų. Visgi stebima visata beveik vien materija. Šis neatitikimas tarp teorijos ir stebėjimų yra vienas didžiausių neišspręstų šiuolaikinės fizikos uždavinių: kur dingo antimaterija?
Dažniausiai manoma, jog atsakymas slypi mažame, bet esminiame materijos ir antimaterijos elgsenos skirtume – tam tikrų pagrindinių simetrijų pažeidime, šiek tiek labiau palankiu materijai. Per pastaruosius kelis dešimtmečius aptikta keletas simetriją pažeidžiančių procesų, tačiau jie per silpni paaiškinti milžinišką disproporciją. Viena pagrindinė hipotezė šiandien kreipia dėmesį į neutrinus – sunkiai aptinkamas subatomines daleles, galinčias būti šios paslapties raktu.
Kas yra antimaterija ir kodėl ji svarbi?
Antimaterija yra įprastos medžiagos atitikmuo. Daugeliui dalelių skirtumas paprastas: antidalelė turi tokią pačią masę, bet priešingą elektros krūvį. Pavyzdžiui, pozitronas yra elektrono antidalelė – masė ta pati, tik krūvis teigiamas. Neutralios dalelės gali turėti sudėtingesnius skirtumus: dalis yra savo pačių antidalelės, o kitos, kaip antineutronai, sudarytos iš antiquarkų.
Antimaterija gamtoje natūraliai aptinkama labai menkai – kosminiuose spinduliuose, tam tikruose radioaktyviuose skilimuose ar net žaibuose. Žmonių organizmuose dėl radioaktyvaus kalio natūraliai išskiriama nedidelis kiekis pozitronų, o laboratorijose antifermiomų galima sukurti dalelių greitintuvuose. Tačiau pagaminti reikšmingą antimaterijos kiekį labai brangu energetiškai, todėl tokios pritaikymo idėjos, kaip antimaterijos varikliai ar ginklai, kol kas nerealios.
Susitikę materijos ir antimaterijos dalelės sunaikinamos – virsta energija pagal Einšteino formulę E=mc². Kadangi šis virtimas itin efektyvus, jei po Didžiojo sprogimo materijos ir antimaterijos būtų susidarę vienodai, jos viena kitą sunaikintų ir beveik neliktų medžiagos. Tačiau tai neįvyko – vadinasi, labai anksti vykę procesai šiek tiek labiau palaikė materiją, todėl susidarė likučiai, iš kurių formavosi žvaigždės, galaktikos ir gyvybė.
Už Standartinio modelio ribų: Kodėl reikia naujos fizikos
Dalelių fizikos Standartinis modelis detaliai aprašo žinomas daleles ir sąveikas (išskyrus gravitaciją). Į jį įtraukti tam tikri materijos ir antimaterijos skirtumo mechanizmai, vadinami CP (krūvio–pariteto) pažeidimu, pastebėti atskiruose mezonuose. Tačiau žinomas CP pažeidimas per menkas, kad paaiškintų pastebėtą medžiagos perteklių visatoje.
Kad išaiškintų šį disbalansą, fizikai ieško naujų CP pažeidimo šaltinių už Standartinio modelio ribų: papildomų sąveikų ar sunkių dalelių, kurios egzistavo ankstyvoje karštoje visatoje ir lėmė medžiagos dominavimą. Čia vilčių teikia neutrinai – dalelės, jau neatitinkančios Standartinio modelio prognozių, nes turi nedidelę, bet ne nulinę masę.
Neutrinai: maži, neutralūs ir paslaptingi
Neutrinai – elektriškai neutralios fermioninės dalelės, daugmaž milijoną kartų lengvesnės už elektronus. Iš pradžių Standartiniame modelyje laikyti be mąsės, tačiau nuo 1990-ųjų eksperimentai įrodė, jog jie turi masę – neutrinai osciliuoja, keičia „skonį“ eidami per medžiagą.
Yra trys žinomi neutrinų tipai: elektrono, miuono ir tau. Osciliacijos eksperimentai rodo, kad neutrinai, sukurti vieno tipo, gali būti aptikti kitu tipu, o šis reiškinys patvirtina, jog skirtingų tipų neutrinų masės skiriasi. Jie sąveikauja su medžiaga nepaprastai silpnai: kiekvieną sekundę pro kiekvieną kvadratinį centimetrą Žemės praeina apie 60 milijardų Saulės neutrinų, beveik be jokio poveikio. Maža masė ir silpna sąveika daro neutrinus sunkiai aptinkamais, bet potencialiai galingais naujos fizikos žinios nešėjais.
CP pažeidimas neutrinų sektoriuje
CP simetrija apima dvi operacijas: krūvio konjugaciją (kai dalelės keičiamos antidalelėmis) ir paritetą (koordinatės atspindimos kaip veidrodyje). Jei ši simetrija būtų absoliuti, dalelės ir jų atvaizdai elgtųsi vienodai. CP pažeidimas rodo elgsenos skirtumus tarp materijos ir antimaterijos – būtent tokių skirtumų reikėjo, kad materija išgyventų ankstyvajame visatos etape.
Neutrinų osciliacijos – unikalus būdas tirti CP simetriją. Jei neutrinai ir antineutrinai osciliuoja skirtingai, tai tiesiogiai rodytų CP pažeidimą. Skirtingai nei menkas CP pažeidimas kai kuriuose mezonuose, neutrinų sektoriuje jis galėtų būti pakankamai didelis (kai kuriuose teoriniuose modeliuose), kad sukeltų materijos perteklių per vadinamąją leptogenezę. Leptogenezės scenarijuose CP pažeidžiantys neutrinų (ar sunkesnių į jas panašių dalelių) procesai ankstyvoje visatoje sukuria leptonų perteklių, kuris vėliau dalinai virsta barionų (protonų ir neutronų) pertekliumi – tai, ką matome šiandien.
Naujos kartos eksperimentai: DUNE ir kiti
Vienas galingiausių įrenginių neutrinų savybių tyrimui – Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE). Šiuo metu statomas JAV, DUNE naudos stiprų Fermilabe, netoli Čikagos, sukurtą neutrinų pluoštą, nukreiptą 1300 kilometrų per Žemę į milžiniškus detektorius Sanfordo požeminėje laboratorijoje Pietų Dakotoje. Ilgas atstumas tarp šaltinio ir detektoriaus sustiprina osciliacijų ir galimų materijos-antimaterijos skirtumų matomumą.
DUNE planuoja generuoti galingiausią valdomą neutrinų pluoštą ir išmatuoti neutrinų osciliacijas precedento neturinčiu tikslumu. Lygindamas, kaip neutrinai ir antineutrinai keičia „skonį“ keliaudami 1300 km, DUNE tirs, ar neutrinų sektoriuje vyksta CP pažeidimas, ir jei taip, koks jis stiprus. Tikimasi, kad pirminiai eksperimento duomenys bus surenkami dešimtmečio pabaigoje, o vėliau – pilna eksperimentinė galia.
Kiti tolimą atstumą apimantys eksperimentai – tokie kaip Japonijos T2K ar būsimas Hyper-Kamiokande detektorius – taip pat nukreipti į neutrinų CP pažeidimą. Sujungti duomenys leis tiksliau apriboti galimas CP pažeidimo fazes ir padės išsiaiškinti, ar neutrinai – trūkstamoji grandis barionų asimetrijai paaiškinti.
Sunkieji neutrinai, dešiniarankiai partneriai ir leptogenezė
Vienas įtikinamų Standartinio modelio išplėtimų numato sunkių dešiniarankių neutrinų egzistavimą šalia žinomų lengvųjų kairiarankių. Dalelių fizikoje „reikšmingumas“ (arba chirališkumas) apibūdina, kaip sukimosi kryptis susijusi su dalelės judėjimu. Standartiniame modelyje egzistuoja tik kairiarankiai neutrinai; jei dešiniarankiai egzistuoja, jie nesi sąveikauja per įprastas Standartinio modelio jėgas ir gali būti labai masyvūs.
Po Didžiojo sprogimo tokie dešiniarankiai sunkieji neutrinai galėjo skilti CP pažeidžiančiu būdu, sukurti gryną leptonų perteklių, kuris vėliau, Standartinio modelio procesais, ankstyvojoje visatoje dalinai perėjo į papildomą barionų asimetriją. Skaičiavimai rodo, kad tokio tipo neutrinai, turintys masę daug kartų didesnę už protonų, galėjo efektyviai sukelti leptogenezę ir paaiškinti dabartinį materijos vyravimą visatoje.
Tiesioginiai tokio itin sunkių neutrinų žymenys dabartiniuose laboratorijos eksperimentuose mažai tikėtini, tačiau netiesioginiai požymiai – stiprus CP pažeidimas lengvųjų neutrinų sektoriuje ar atradimas, kad neutrinai yra Majoranos dalelės (savo pačių antidalelės) – stiprintų leptogenezės modelius.
Be neutrinų beta skilimo – lemiamas išbandymas
Vienas svarbiausių neutrinų pobūdžio eksperimentinių testų – be neutrinų dvigubo beta skilimo paieška. Įprastame dvigubame beta skilime du branduolio neutronai virsta protonais, išskirdami du elektronus ir dvi antineutrinas. Jei neutrinai yra Majoranos dalelės – t. y. identiški savo antidalelėms – abi antineutrinos galėtų anihiliuoti ir branduolys išskirtų tik du elektronus ir papildomą kinetinę energiją: taip vyktų be neutrinų dvigubas beta skilimas.
Toks atradimas reikštų, kad leptonų skaičius nėra visiškai išlaikomas ir stipriai rodytų, kad neutrinai – Majoranos dalelės, palaikant leptogenezės modelius, kurie jungia neutrinus su materijos–antimaterijos asimetrija. Visame pasaulyje vykdomi įvairūs eksperimentai su skirtingais izotopais ir technologijomis, siekiant aptikti būdingą signalą.
Pagrindiniai be neutrinų dvigubo beta skilimo eksperimentai:
- KamLAND-Zen (Japonija): skystosios scintiliacijos detektorius, tiriantis xenoną tirpale, ieškant būdingų energingų elektronų.
- nEXO (JAV/Kanados projektas, SNOLAB): sumanytas naujos kartos skystojo xenono laiko projekcinis detektorius, žymiai jautresnis nei ankstesni.
- NEXT (Canfranc laboratorija, Ispanija): didelio slėgio dujinio xenono detektorius, užtikrinantis ypač gerą energijos skyrą.
- LEGEND (Gran Sasso, Italija): gryno germano detektorius, praturtintas izotopu 76Ge, užtikrinantis itin žemą foną.
Visi šie projektai, nors ir taiko skirtingus metodus, siekia to paties: aptikti dviejų elektronų energijos signalą be lydinčių neutrinų. Kol kas be neutrinų dvigubas beta skilimas dar nerastas, tačiau detektoriai vis jautresni, didinamas matavimo masyvas, mažinamas fonas, tad artėjama prie svarbiausių teorinių parametrų patikros.
Naujausi CP pažeidimo rezultatai ir didesnio efekto paieškos
CP pažeidimas ankščiau užfiksuotas mezonuose ir, neseniai, atskiruose barionų skilimuose Didžiajame hadronų greitintuve, tačiau jie per menki paaiškinti universalų materijos perteklių. Jei neutrinų CP pažeidimas pasirodys didelis, tai gali tapti trūkstamu elementu. Tokie eksperimentai kaip DUNE ir Hyper-Kamiokande skirti būtent CP pažeidimo fazės neutrinų maišymo matricoje matavimui su reikiamu tikslumu, kad būtų galima patvirtinti ar atmesti neutrinų inicijuotą leptogenezę kaip paaiškinimą.
Jei bus galutinai patvirtintas CP pažeidimas neutrinų sektoriuje, tai nebūtinai tiesiogiai įrodytų, jog būtent jis sukėlė kosminę asimetriją, tačiau pateiktų esminę užuominą: pademonstruotų, kad gamta neutrinus ir antineutrinus traktuoja skirtingai ir Standartinį modelį reikia plėsti. Kartu su galimu teigiamu be neutrinų dvigubo beta skilimo signalu ar kitais netiesioginiais sunkiojo neutrinų būvio įrodymais, galima būtų svariai pagrįsti koncepciją, kad neutrinai buvo lemiami formuojant materijos perteklių visatoje.
Ekspertų įžvalga
„Neutrinai – visatos šnabždėtojai,“ sako dr. Maya Fernandez, neutrino fizikė ir mokslo komunikatorė (personažas). „Juos sunku išgirsti, bet jie neša žinią apie tokias energijas, kurių niekaip kitaip nepasiekiame. Jei galėsime išmatuoti CP pažeidimą neutrinų sektoriuje ir surasime įrodymų, kad neutrinai yra Majoranos dalelės, turėsime dvi nepriklausomas gijas, jungiančias neutrinus su materijos kilme. Kiekvienas naujas eksperimentinis apribojimas siaurina galimų paaiškinimų ratą ir artina mus prie vieningos istorijos apie tai, kodėl apskritai egzistuoja kas nors.“
Šis požiūris atspindi kantrybės ir didžiulės mokslo vertės derinį neutrinologijoje: eksperimentai trunka metus ir reikalauja milžiniškų išteklių, tačiau galimas atlygis – pagrindinės gamtos asimetrijos paaiškinimas.
Technologijos, iššūkiai ir ateities perspektyvos
Neutrinų tyrimai reikalauja didžiulių detektorių, ypatingai mažo fono ir stiprių dalelių pluoštų. Tolimojo atstumo osciliacijos eksperimentuose svarbus tikslus neutrinų pluošto valdymas ir kruopštus palyginimas tarp arti šaltinio esančių stebėjimo įrenginių bei tolimų detektorių giliai po žeme. Be neutrinų dvigubo beta skilimo studijos sutelktos į maksimalų radioaktyvaus fono pašalinimą ir energijos skyrą.
Svarbiausi – pažangūs detektorių medžiagų, kriotechnikos, nedidelio natūralaus radioaktyvumo technologijų ir duomenų analizės algoritmų sprendimai. Tarptautinis bendradarbiavimas taip pat: pagrindiniai neutrinų projektai apima daug šalių eksperimentus ir koordinuotą veiksmų strategiją.
Žvelgiant į priekį, DUNE ir Hyper-Kamiokande, manoma, jau artimiausio dešimtmečio metu iš esmės pakeis mūsų žinojimą apie neutrinus. Naujos kartos eksperimentai, tokie kaip nEXO ar didelio masto xenono ar germano detektoriai, galėtų tirti be neutrinų dvigubo beta skilimo signalą iki efektyvių neutrinų masės reikšmių, aktualių daugeliui teorijų. Jei signalas nebus rastas platesniame parametrų intervale, daug leptogenezės modelių taps mažiau tikėtini, o tyrėjus paskatins ieškoti alternatyvių mechanizmų pirminės kosmoso materijos pertekliui paaiškinti.
Padariniai kosmologijai ir fundamentinei fizikai
Išsprendus materijos–antimaterijos asimetrijos klausimą, kardinaliai keistųsi mūsų požiūris į ankstyvąją visatą ir Standartinio modelio išbaigtumą. Jei sprendimas priklausytų nuo neutrinų, tai sujungtų dalelių fiziką su kosmologija, parodytų, kaip mikroskopinės kvantinės savybės veikė visatos makroskopinę struktūrą. Toks atradimas turėtų įtakos tiek fundamentinei teorijai, tiek astrofizikai, ir galėtų atverti naujas tyrimų kryptis – tamsiosios materijos, infliacijos eroje pagimdytos fizikos ar kitų už Standartinio modelio ribų sąveikų srityse.
Jei vis dėlto išaiškėtų, kad neutrinai šio klausimo nesprendžia, tokia išvada taip pat labai reikšminga: ji eliminuotų didelę modelių klasę ir palengvintų alternatyvių paieškų kryptis, pavyzdžiui, barionų sukūrimą elektrosilpnose sąlygose, naujus skalarių laukus ar egzotines sąveikas ankstyvoje visatoje.
Išvada
Trūkstanti visatos antimaterija išlieka viena esminių mokslo paslapčių. Neutrinai – smulkios, neutralios dalelės, kurios vos sąveikauja su paprasta materija – siūlo daug žadantį kelią šios problemos sprendimui. Tyrinėjant CP simetriją neutrinų osciliacijose, ieškant be neutrinų dvigubo beta skilimo ir nagrinėjant sunkiojo dešiniarankio neutrino galimybę, pasauliniai eksperimentai siekia išsiaiškinti, ar būtent neutrinai buvo lemtingi kosminiam balanso pasvėrimui materijos naudai. Artėjantys dešimt metų, įskaitant DUNE, Hyper-Kamiokande ir daug be neutrinų dvigubo beta skilimo tyrimų, duos lemiamų duomenų. Nepriklausomai nuo to, ar neutrinai išspręs šią paslaptį, ar atves prie kitų naujos fizikos paieškų, rezultatai pagilins mūsų supratimą, kaip kosmosas iš beveik simetriškos pradžios tapo materija (ir stebėtojais) turtinga visata.
Quelle: arstechnica
Kommentare