V raném vesmíru , krátce po Velkém třesku, existovaly „ hmota “ i „antihmota“ ve stejném množství. Z dosud neznámých důvodů však „hmota “ dominuje současnému vesmíru . Výzkumníci z T2K nedávno prokázali výskyt možného porušení parity náboje v neutrinech a odpovídající antineutrinové oscilace. To je krok vpřed v pochopení, proč hmota dominuje vesmíru.
Velký třesk (který se odehrál asi před 13.8 miliardami let) a další související fyzikální teorie naznačují, že v raném vesmíru „dominovalo“ záření a „ hmota “ a „ antihmota “ existovaly ve stejném množství.
Ale vesmír , který známe dnes, je založen na „hmotě“. Proč? To je jedna z nejzajímavějších záhad vesmíru . (1)
Vesmír , jaký známe dnes , začal se stejným množstvím „hmoty“ a „antihmoty“. Obě byly vytvořeny v párech, jak vyžadoval zákon přírody, a poté byly opakovaně anihilovány, čímž vzniklo záření známé jako „kosmické pozadí“. Během asi 100 mikrosekund po Velkém třesku začala hmota (částice) nějakým způsobem převyšovat antičástice, řekněme o jednu miliardu, a během několika sekund byla veškerá antihmota zničena a zbyla pouze hmota.
Jaký je proces nebo mechanismus, který by vytvořil tento druh rozdílu nebo asymetrie mezi hmotou a antihmotou?
V roce 1967 ruský teoretický fyzik Andrej Sacharov postuloval tři podmínky nezbytné pro vznik nerovnováhy (neboli tvorby hmoty a antihmoty různou rychlostí) ve vesmíru . První Sacharovovou podmínkou je porušení baryonového čísla (kvantového čísla, které zůstává v interakci zachováno). To znamená, že protony se extrémně pomalu rozpadaly na lehčí subatomární částice, jako je neutrální pion a pozitron. Podobně se antiproton rozpadl na pion a elektron. Druhou podmínkou je porušení symetrie nábojové konjugace (C) a symetrie nábojové konjugace a parity (CP), nazývané také porušení nábojové parity. Třetí podmínkou je, že proces, který generuje baryonovou asymetrii, nesmí být v tepelné rovnováze kvůli rychlé expanzi, která snižuje výskyt párové anihilace.
Je to druhé Sacharovovo kritérium porušení CP, které je příkladem jakési asymetrie mezi částicemi a jejich antičásticemi, která popisuje způsob jejich rozpadu. Porovnáním toho, jak se částice a antičástice chovají, tj. jak se pohybují, interagují a rozpadají, mohou vědci najít důkazy o této asymetrii. Porušení CP poskytuje důkaz, že některé neznámé fyzikální procesy jsou zodpovědné za rozdílnou produkci hmoty a antihmoty.
Je známo, že elektromagnetické a „silné interakce“ jsou symetrické vzhledem k C a P, a proto jsou symetrické i vzhledem k součinu CP (3). „To však nemusí nutně platit pro „slabou interakci“, která porušuje symetrii C i P,“ říká profesor B. A. Robson. Dále uvádí, že „porušení CP ve slabých interakcích znamená, že takové fyzikální procesy by mohly vést k nepřímému porušení baryonového čísla, takže by byl upřednostňován vznik hmoty před vznikem antihmoty“. Částice, které nejsou kvarky, nevykazují žádná porušení CP, zatímco porušení CP u kvarků je příliš malé a nevýznamné na to, aby mělo vliv na vznik hmoty a antihmoty. Porušení CP u leptonů ( neutrin ) se tedy stává důležitým a pokud by se prokázalo, odpovědělo by to na otázku, proč je vesmír dominantní hmotou.
Ačkoli porušení CP symetrie ještě nebylo přesvědčivě prokázáno (1), zjištění, která nedávno publikoval tým T2K, ukazují, že vědci jsou k němu opravdu blízko. Prostřednictvím vysoce sofistikovaných experimentů v T2K (Tokai do Kamioky) (2) bylo poprvé prokázáno, že přechod z částice na elektron a neutrino je upřednostňován před přechodem z antičástice na elektron a antineutrino. T2K označuje dvojici laboratoří, japonský výzkumný komplex protonových urychlovačů (J-Parc) v Tokai a podzemní neutrinovou observatoř Super-Kamiokande v Kamioce v Japonsku, které jsou od sebe vzdáleny asi 300 km. Protonový urychlovač v Tokai generoval částice a antičástice z vysokoenergetických srážek a detektory v Kamioce pozorovaly neutrina a jejich antihmotové protějšky, antineutrina, pomocí velmi přesných měření.
Po analýze několika let získaných dat v T2K byli vědci schopni změřit parametr zvaný delta-CP, který řídí narušení symetrie CP v oscilaci neutrin, a zjistili nesoulad nebo preferenci pro zesílení rychlosti neutrin, což může nakonec vést k potvrzení narušení CP ve způsobu, jakým neutrina a antineutrina oscilují. Výsledky zjištěné týmem T2K jsou statisticky významné na úrovni 3 sigma neboli 99.7% hladiny spolehlivosti. Jedná se o milník, protože potvrzení narušení CP u neutrin souvisí s dominancí hmoty ve vesmíru . Další experimenty s větší databází otestují, zda je toto narušení leptonické symetrie CP větší než narušení CP u kvarků. Pokud ano, pak konečně budeme mít odpověď na otázku, proč je vesmír dominantní hmotou.
Experiment T2K sice jasně neprokázal, že došlo k porušení CP symetrie, ale je milníkem v tom smyslu, že přesvědčivě ukazuje silnou preferenci pro zvýšenou rychlost elektronů a neutronů a přibližuje nás k prokázání výskytu porušení CP symetrie a nakonec k odpovědi na otázku, „proč je vesmír dominantně založený na hmotě“.
***
Reference:
1. Tokijská univerzita, 2020. „Výsledky T2K omezují možné hodnoty fáze CP neutrina -…..“ Tisková zpráva zveřejněna 16. dubna 2020. Dostupné online na http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/. Přístup k 17. dubnu 2020.
2. Kolaborace T2K, 2020. Omezení na fázi narušující symetrii hmoty a antihmoty v oscilacích neutrin. Nature svazek 580, strany 339–344 (2020). Publikováno: 15. dubna 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Problém asymetrie hmoty a antihmoty. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
