Vesmír je plný hmoty a my nevíme proč. Víme, jak hmota vznikla, a můžeme ji dokonce vytvořit v laboratoři, ale má to háček. Pokaždé, když vytvoříme hmotu v urychlovačích částic, získáme stejné množství antihmoty. To je pro laboratoř naprosto v pořádku, ale pokud by velký třesk vytvořil stejné množství hmoty a antihmoty, oba by se brzy navzájem zničili, takže by zůstalo vesmírné moře fotonů a bez hmoty. Pokud to čtete, zjevně se to nestalo.
Zůstává jednou z největších záhad v kosmologii a ve fyzice to všechno spočívá v symetrii. Velká část fyziky je zakořeněna v principech zachování a symetrie. Zdá se, že prostor je ve všech směrech stejný, a tak je zachována hybnost. To znamená, že pokud hodíte míč do prázdného prostoru, bude pokračovat ve svém pohybu neomezeně dlouho. Časová symetrie znamená, že se zachovává hmota-energie a tak dále. Spojení mezi symetrií a zachováním bylo poprvé objeveno Emmy Noetherovou a nyní je známé jako Noetherův teorém.
Příklady symetrie ve fyzice. Kredit: Flip Tanedo
Vzhledem k tomu, že symetrie je základem fyziky, mnoho výzkumů se zabývalo tím, jak a kdy lze symetrii narušit. To platí zejména v částicové fyzice. Protože částice byly poprvé vytvořeny v raném období vesmíru, pomáhá nám to také pochopit, jak vesmír vznikl. V kosmologii je jedním z největších CP symetrie.
CP znamená paritu náboje a představuje kombinaci dvou symetrií. Nábojová symetrie znamená, že vesmír tvořený výhradně hmotou a vesmír tvořený antihmotou by se měly chovat stejně. To znamená, že by měly být symetrické. Paritu lze popsat jako zrcadlový obraz. Pokud při pohledu do zrcadla zvednete pravou ruku, váš obrázek zvedne levou ruku. Paritní symetrie znamená, že pokud se ve vesmíru přehodí levá a pravá strana, nic by se nemělo změnit.
Pokud by CP symetrie vždy platila, pak by náš hmotný vesmír nemohl existovat. Ale víme, že symetrie CP je někdy narušena. Například v roce 1964 bylo zjištěno, že neutrální částice známá jako Kaon se vyskytuje ve dvou typech, které byly navzájem duály CP. Pokud by byla zachována symetrie CP, pak by se tyto dva typy Kaonů měly rozkládat stejnou rychlostí. Zjistili jsme, že se dva typy Kaonů rozpadají mírně odlišnými rychlostmi. Rozdíl mezi nimi je jen asi 3 díly z 1000, ale není to nula.
Kaon se rozpadá na pion a světlo. Kredit: K. Tobioka/Florida State University
Existují i další známé příklady, ale problém je v tom, že i když je všechny zkombinujete, nestačí to na to, aby vznikl vesmír pouze hmoty. Přinejmenším musí existovat jiný způsob, jak narušit symetrii CP. Na základě nového výzkumu publikovaného vPříroda, odpovědí by mohla být neutrina.
Neutrina nemají elektrický náboj, ale objevují se ve formě hmoty i antihmoty, takže symetrie CP na ně stále platí. Problém je v tom, že je notoricky obtížné je odhalit. I když je nemůžete detekovat, je obtížné odlišit neutrina od antineutrin.
V této nedávné práci spolupráce T2K vypálila paprsky neutrin do detektoru. T2K znamená T?kai to Kamioka, protože urychlovač částic se nachází v japonské vesnici T?kai a detektor neutrin je v Kamioce. Protože tým řídil paprsek neutrin, mohl říct, zda detekuje neutrina nebo antineutrina. Při shromažďování dat během deseti let našli narušení CP v efektu známém jako oscilace neutrin.
Hmotná neutrina se objevují s větší pravděpodobností než antihmotová neutrina. Kredit: T2K Collaboration
Neutrina mají zvláštní vlastnosti a jednou z nejpodivnějších je oscilace. Ukazuje se, že neutrina dodávají se ve třech typech nebopříchutě, a neutrino může oscilovat tam a zpět mezi každým typem. Podle symetrie CP by neutrina i antineutrina měla oscilovat stejnou rychlostí. Ale tým T2K zjistil, že oscilují různými rychlostmi. Jejich sazby jsou tak rozdílné, že jsou téměř maximálně asymetrické. V důsledku toho je pravděpodobnější, že uvidíte hmotná neutrina než antihmotová.
To by mohla být odpověď vesmíru hmoty, kterou jsme hledali, ale měli bychom být opatrní. Důkazy pro asymetrii neutrin jsou zatím slabé. Dokonce i autoři připouštějí, že jejich výsledky nejsou dostatečně silné, aby byly průkazné. Ale jsou velmi zajímavé. K ověření výsledku budeme potřebovat mnohem více dat, ale je to důležitý krok k pochopení toho, jak jsme se sem dostali.
Odkaz: Kitahara, Teppei a kol. Nové fyzikální důsledky nedávného hledání K L? ?0? ¯ ve společnosti KOTO .'
Reference: T2K Collaboration. “ Omezení fáze narušující symetrii hmoty a antihmoty v neutrinových oscilacích .'