10 Minutės
Visa, ką matome aplink – nuo žemės ir uolų iki žvaigždžių bei tolimų galaktikų – sudaryta iš materijos. Tačiau pagal vyraujančius Didžiojo sprogimo modelius, ankstyvojoje visatoje tiek materijos, tiek antimaterijos turėjo atsirasti beveik po lygiai. Materijai susidūrus su antimaterija, jos viena kitą sunaikina, virsdamos energija. Jei jų kiekiai būtų buvę identiški, visata būtų tapusi beveik universalia radiacijos jūra, be atomų, planetų ar stebėtojų. Visgi stebimą visatą beveik pilnai sudaro materija. Šis ryškus neatitikimas tarp teorijos ir realybės išlieka viena pagrindinių neišspręstų šiuolaikinės fizikos problemų: kur dingo visa antimaterija?
Fizikai mano, kad atsakymą gali suteikti maži, bet esminiai skirtumai tarp materijos ir antimaterijos elgsenos – vadinami CP simetrijos (krūvio ir pariteto) pažeidimai, kurie minimaliai favorizuoja materiją. Per pastaruosius dešimtmečius aptikta keletas tokių simetrijos pažeidimo procesų, tačiau jų neužtenka paaiškinti stebimai materijos persvarai. Pagrindinė hipotezė šiuo metu susijusi su neutrinu – itin sunkiai aptinkama subatominė dalele, kuri galėtų būti šios mįslės raktas.
Kas yra antimaterija ir kodėl ji svarbi? Antimaterija – tai materijos atitikmuo. Daugumai dalelių skirtumas paprastas: antidalelė turi tą pačią masę, bet priešingą krūvį. 1930-aisiais atrastas pozitronas yra elektrono antidalelė – tos pačios masės, bet teigiamo krūvio. Kai kurios neutralios dalelės pačios yra savo antidalelės, tačiau tokios kaip antineutronai sudaryti iš antiquarkų. Antimaterija gamtoje atsiranda labai mažais kiekiais – kosminėse spinduliuotėse, tam tikruose radioaktyviuose ir net žaibų procesuose. Nedidelį pozitronų kiekį žmogaus organizmas išskiria dėl natūraliai radioaktyvaus kalio, esančio ir maisto produktuose (pvz., bananuose). Mokslininkai gali sukurti antidaleles dalelių greitintuvuose, tačiau dideli kiekiai yra energetiškai brangūs, tad fantastinės idėjos apie antimaterijos variklius ar ginklus ir lieka nepraktiškos.
Materijai ir antimaterijai susidūrus, jos sunaikinamos ir išskiria energiją pagal Einsteino formulę E=mc2. Jei po Didžiojo sprogimo jų būtų buvę lygiai tiek pat, greičiausiai visos būtų viena kitą sunaikinusios, palikdamos visatą be materijos. Tai, kad taip nenutiko, rodo, jog kažkuria ankstyva akimirka procesai šiek tiek palankiau klostėsi materijai, todėl liko pakankamai dalelių, kad susiformuotų žvaigždės, galaktikos ir gyvybė.
Už Standartinio Modelio ribų: Kodėl reikalinga nauja fizika Standartinis dalelių fizikos modelis aprašo žinomas elementariąsias daleles ir sąveikas (išskyrus gravitaciją) labai tiksliai. Jis apima ir tam tikrus, tačiau pernelyg silpnus, materijos ir antimaterijos skirtumus (CP pažeidimus), kurie pastebėti kai kuriuose mezonuose. Tačiau šie efektai yra per silpni, kad sukurtų stebimą materijos pertekliaus mastą.
Ieškant paaiškinimo, fizikai tiria galimus naujus CP pažeidimo šaltinius už Standartinio Modelio ribų – papildomas sąveikas ar sunkias daleles, kurios galėjo egzistuoti ankstyvoje, tankioje ir karštoje visatoje, nulemdamos materijos perteklių. Labai viliojanti šios naujos fizikos kryptis susijusi su neutrinais, kurie jau pažeidžia kai kuriuos Standartinio Modelio lūkesčius – turi mažą, bet ne nulinę masę.
Neutrinai: Mažyčiai, neutralūs ir mįslingi Neutrinai – tai elektra neutralios fermioninės dalelės, bent milijoną kartų lengvesnės už elektronus. Pradžioje Standartiniame Modelyje buvo laikyti bemasiais, bet nuo XX a. pabaigos eksperimentai parodė, kad jie turi nedidelę masę, nes geba „svyruoti“ – t.y., keliaudami keičia skonį (flavorą).
Yra trys žinomi neutrinų tipai: elektrono, miuono ir tau. Svyruojantys neutrinai rodo, kad skirtingi jų tipai pasižymi skirtingomis masėmis. Jie sąveikauja su materija itin silpnai – pro kiekvieną kvadratinį centimetrą mūsų planetos kas sekundę prasiskverbia maždaug 60 milijardų Saulės neutrinų, praktiškai nieko nepaveikdami. Dėl savo mažos masės ir silpnų sąveikų neutrinai yra itin sunkiai aptinkami, bet labai naudingi tyrinėjant naują fiziką.
CP pažeidimas neutrinų sektoriuje CP simetrija jungia dvi operacijas: krūvio konjugavimą (dalelės- antidalelės mainai) ir pariteto keitimą (erdvinės koordinatės atspindimos kaip veidrodyje). Jei CP simetrija būtų tobula, dalelės ir jų atvaizdai elgtųsi visiškai vienodai. Šios simetrijos pažeidimas rodo, kad materija ir antimaterija elgiasi skirtingai – būtent tokie skirtumai gali paaiškinti, kodėl ankstyvoje visatoje materija nesunaikinta.
Neutrinų svyravimai – tai unikalus eksperimentinis būdas tirti CP simetriją. Jei neutrinai ir antineutrinai svyruoja skirtingai, tai tiesioginis CP pažeidimo ženklas. Skirtingai nei su mezonais, neutrinų CP pažeidimas teoriškai gali būti pakankamai didelis ir inicijuoti materijos perteklių per lepto-genezės mechanizmą. Tokiais atvejais neutrinų CP pažeidžiantys procesai ankstyvoje visatoje galėjo sukurti leptonų perteklių, o Standartinio Modelio sąveikos jį vėliau pavertė stebimu barionų (protonų ir neutronų) pertekliumi.
Kitos kartos eksperimentai: DUNE ir perspektyvos Vienas ambicingiausių projektų neutrinų savybėms tirti – Gilio požeminio neutrinų eksperimento (DUNE) laboratorija. Ji statoma JAV – Fermilab‘o (prie Čikagos) pagamintas neutrino spindulys keliaus 1300 kilometrų žemės gelmėmis iki didžiulių detektorių Sanfordo požeminėje tyrimų laboratorijoje Pietų Dakotoje. Toks ilgas bazės atstumas maksimaliai padidins jautrumą svyravimų poveikiui ir galimiems skirtumams tarp neutrinų ir antineutrinų.
DUNE užsibrėžęs sukurti galingiausią kontroliuojamą neutrinų spindulį pasaulyje ir leis matuoti svyravimus su precedento neturinčiu tikslumu. Lygindamas, kaip per 1300 kilometrų keičiasi neutrinų ir antineutrinų skoniai, DUNE galės nustatyti ar CP simetrija neutrinų sektoriuje pažeista, bei kiek šis pažeidimas reikšmingas. Tikimasi, kad ankstyvieji eksperimentiniai duomenys bus pradėti rinkti artėjant dešimtmečio pabaigai.
Kiti ilgo nuotolio neutrinų eksperimentai – tokie kaip Japonijos T2K ir planuojamas Hyper-Kamiokande detektorius – taip pat orientuoti į CP pažeidimo paiešką neutrinų svyravimuose. Jungti kelių eksperimentų duomenys leis tiksliau nustatyti galimų CP pažeidimo fazių intervalus ir padės patikrinti, ar neutrinai – trūkstama grandis barionų asimetrijos kilmėje.
Sunkūs neutrinai, dešiniarankiai partneriai ir lepto-genezė Vienas stipriausių teorinių Standartinio Modelio papildymų numato sunkių dešiniarankių neutrinų egzistavimą, be jau stebėtų kairiarankių. „Ranka“ (chirališkumas) dalelių fizikoje apibūdina, kaip sukimosi momentas susijęs su judėjimo kryptimi. Standartinis modelis apima tik kairiarankius neutrinas. Dešiniarankiai, jei jie egzistuoja, su žinomomis sąveikomis nesąveikautų ir galėtų turėti didžiules mases.
Jei ankstyvojoje visatoje egzistavo sunkūs dešiniarankiai neutrinai, jų skilimai galėjo pažeisti CP simetriją ir sukurti leptonų perteklių. Šis perteklius per Standartinio Modelio procesus gali virsti stebimu barionų (protonų, neutronų) pertekliumi. Skaičiavimai rodo, kad labai masyvūs dešiniarankiai neutrinai galėtų priversti efektyvią lepto-genezę ir suteikti natūralų paaiškinimą materijos dominavimui visatoje.
Tiesiogiai aptikti tokius itin sunkius neutrinus šiuolaikiniuose laboratoriniuose eksperimentuose praktiškai neįmanoma, tačiau netiesioginiai ženklai – didelis CP pažeidimas lengvųjų neutrinų sektoriuje ar neutrinų, kaip Majorana dalelių (kuomet dalelė yra savo antipartikulė), atradimas – paremtų lepto-genezės scenarijus.
Neutrinų dublikato nevykstanti beta skilimas: svarbiausias eksperimentas Viena svarbiausių eksperimentinių neutrinų prigimties paieškų yra dvigubo beta irimo be neutrino stebėjimas. Įprastame dvigubame beta irime du neutronai branduolyje virsta dviem protonais, išskirdami du elektronus ir du antineutrinus. Jei neutrinai yra Majorana dalelės, abu antineutrinai galėtų sunaikinti vienas kitą ir skilimo metu būtų stebimi tik du elektronai su pertekliniu judesio kiekiu.
Nevykstančio dvigubo beta irimo aptikimas reikštų, kad leptonų skaičius nėra griežtai išsaugomas, ir stipriai indikuotų, kad neutrinai yra Majorana dalelės. Tokia išvada palaikytų lepto-genezės modelius, siejančius neutrinus su materijos ir antimaterijos asimetrija. Šiuo metu keli eksperimentai visame pasaulyje ieško tokio skilimo naudodami skirtingus izotopus bei aptikimo būdus: KamLAND-Zen (Japonija), nEXO (Kanados/JAV bendradarbiavimo projektas), NEXT (Ispanija), LEGEND (Italija). Visi šie detektoriai siekia aptikti du elektronus, kurių bendra energija atitiktų visą skilimo energiją ir nesimatytų jokių neutrinų. Nors šis efektas dar nėra stebėtas, laipsniškai diegiamos jautrumo didinimo ir fonų mažinimo technologijos leidžia pasiekti teoriškai pagrįstus efektyvių masių intervalus.
Naujausi CP pažeidimo rezultatai ir didesnio efekto paieškos CP pažeidimas buvo stebėtas mezonuose ir neseniai kai kuriuose LHC barionų skilimuose, tačiau šie efektai yra per maži, kad paaiškintų visatos materijos perteklių. Jei neutrinų CP pažeidimas pasirodytų esantis didelis, tai galėtų tapti trūkstama grandimi. DUNE ir Hyper-Kamiokande skirti būtent tiksliai išmatuoti šį pažeidimą.
Galutinis neutrinų CP pažeidimo atradimas nepatvirtintų pačios visatos asimetrijos kilmės mechanizmo, bet būtų esminis žingsnis: parodytų, kad gamta skirtingai elgiasi su neutrinų ir antineutrino skoniai, ir kad Standartinį Modelį būtina plėsti. Jei šie rezultatai derėtų su teigiamu nevykstančio dvigubo beta irimo signalu ar kitais netiesioginiais sunkiojo neutrinų valstybės įrodymais, gautume nuoseklų vaizdą, kuriame neutrinai atliko lemiamą vaidmenį kuriant materijos dominavimą visatoje.
Ekspertų įžvalgos „Neutrinai – visatos šnabždėtojai“, – sako dr. Maja Fernandez, neutrino fizikos ekspertė ir mokslinės komunikacijos specialistė (personažas). – „Jie sunkiai aptinkami, bet perduoda informaciją apie energijas, kokių negalime pasiekti laboratorijose. Jei pavyks išmatuoti CP pažeidimą neutrinų sektoriuje ir rasti Majorana dalelių požymių, turėsime dvi nepriklausomas gijas, jungiančias neutrinus ir materijos kilmę.“
Technologijos, iššūkiai ir perspektyvos Neutrinų tyrimams reikia milžiniškų detektorių, itin silpno fono ir galingų spindulių šaltinių. Ilgo nuotolio svyravimų eksperimentuose būtinas tikslus spindulių valdymas, palyginant skirtingų vietų detektorių duomenis. Nevykstančio dvigubo beta irimo paieškose dėmesys sutelkiamas į fonų sumažinimą ir energetinio tikslumo gerinimą.
Naujovių pasiekta detektorių medžiagų, kriogenikos, konstrukcijų iš mažai radioaktyvių medžiagų srityje, taip pat – duomenų analizės programine įranga. Tarptautinis mokslinių eksperimentų bendradarbiavimas užtikrina bendrą žinių bei investicijų panaudojimą, leidžia aprėpti visą reikalingą parametrų erdvę.
Svarbiausi artimiausio dešimtmečio rezultatai laukiami iš DUNE, Hyper-Kamiokande bei kitų didžiulių projektų: nEXO, didelio masto ksenoninių ar germanių detektorių. Jei nebus rasta signalų, kai kurių leptogenezės modelių patikimumas sumažės, ir teorijų kūrėjai bus priversti ieškoti kitų materijos dominavimo paaiškinimų.
Reikšmė kosmologijai ir fundamentinei fizikai Materijos ir antimaterijos asimetrijos paslapties sprendimas iš esmės pakeistų mūsų supratimą apie ankstyvąją visatą ir Standartinio Modelio užbaigtumą. Sprendimas per neutrinus sieja dalelių fiziką su kosmologija, atskleidžia, kaip kvantiniai efektai nulėmė didžiulių kosminių struktūrų atsiradimą. Tokie atradimai turėtų poveikį teorinei fizikai, astrofizikai, o taip pat taptų atspirties tašku naujiems tyrimams tamsiosios materijos, infliacijos bei anapus Standartinio Modelio sąveikų srityse.
Jei vis tik neutrinai nepateiks atsakymo, tai irgi vertinga: pašalins vieną iš plačiausiai svarstytų modelių klasių, nukreips paieškas ties kitomis galimybėmis – barionų asimetrijos kilmėmis silpnojoje sąveikoje, naujų laukų arba egzotiškų sąveikų paieškomis ankstyvojoje visatoje.
Išvada Neutrinos lyg šiol lieka viena didžiausių kosmoso mįslių. Šie mažyčiai, beveik niekaip su įprasta materija nesąveikaujantys dalelės, gali atverti kelią paaiškinimui. Tiriant CP simetriją neutrinų svyravimuose, ieškant nevykstančio dvigubo beta irimo bei sunkiojo dešiniarankio neutrinų požymių, tarptautinė eksperimentų programa siekia nustatyti, ar būtent neutrinai suteikė mūsų visatai materijos persvarą. Kito dešimtmečio projektai, kaip DUNE, Hyper-Kamiokande ir daugybė Nevykstančio dvigubo beta paieškų, suteiks esminę informaciją. Nepriklausomai nuo to, ar neutrinai galiausiai išspręs šį klausimą ar nukreips dėmesį į kitą naują fiziką, rezultatai pagilins mūsų supratimą, kaip simetriška pradžia tapo materijos kupina visata – ir stebėtojais, galinčiais kelti tokius klausimus.
Šaltinis: arstechnica
Komentarai