Miksi me olemme olemassa? Tämä on ehkä syvin kysymys, joka voi tuntua täysin hiukkasfysiikan ulkopuolella. Mutta uusi kokeilumme CERN: n Large Hadron Collider -laitteessa on tuonut meidät lähemmäksi vastausta. Ymmärtääksesi miksi olemme olemassa, sinun on ensin mentävä 13,8 miljardia vuotta sitten, Ison räjähdyksen aikaan. Tämä tapahtuma tuotti saman verran ainetta, josta olemme valmistaneet, ja antimateriaa.
Uskotaan, että jokaisella hiukkasella on antimateriapartneri, joka on melkein identtinen sen kanssa, mutta jolla on päinvastainen varaus. Kun hiukkanen ja sen antihiukkaset kohtaavat, ne tuhoutuvat - katoavat valon välähdyksellä.
Missä on kaikki antimateria?
Miksi näkemämme maailmankaikkeus koostuu kokonaan aineesta, on yksi modernin fysiikan suurimmista mysteereistä. Jos kerran olisi yhtä paljon antimateriaa, kaikki maailmankaikkeudessa tuhoutuisi. Ja niin, äskettäin julkaistu tutkimus näyttää löytäneen uuden asymmetrian lähteen aineen ja antimaterian välillä.
Arthur Schuster puhui ensin antimateriaalista vuonna 1896, sitten vuonna 1928 Paul Dirac antoi sille teoreettisen perustan, ja vuonna 1932 Karl Anderson löysi sen anti-elektronien muodossa, joita kutsutaan positroneiksi. Positronit syntyvät luonnollisissa radioaktiivisissa prosesseissa, kuten kalium-40: n hajoamisessa. Tämä tarkoittaa, että tavallinen banaani (sisältää kaliumia) emittoi positronin 75 minuutin välein. Sitten se tuhoaa aineen elektronien kanssa tuottaen valoa. Lääketieteelliset sovellukset, kuten PET-skannerit, tuottavat myös antimateriaa samassa prosessissa.
Aineen, jonka atomit koostuvat, päärakennusaineet ovat alkuainehiukkaset - kvarkit ja leptonit. Kvarkeja on kuusi: ylös, alas, outoa, hurmioitua, totta ja kaunista. Samoin on kuusi leptonia: elektronit, muonit, tau ja kolme tyyppiä neutriinoja. Näistä kahdestatoista hiukkasesta on myös antimateriaalikopioita, jotka eroavat toisistaan vain varauksensa suhteen.
Antimateriaalihiukkasten tulisi periaatteessa olla täydellinen peilikuva normaaleista satelliiteistaan. Mutta kokeet osoittavat, että näin ei aina ole. Otetaan esimerkiksi hiukkaset, jotka tunnetaan nimellä mesonit ja jotka koostuvat yhdestä kvarkista ja yhdestä antiquarkista. Neutraaleilla mesoneilla on hämmästyttävä ominaisuus: ne voivat muuttua spontaanisti anti-mesoniksi ja päinvastoin. Tässä prosessissa kvarkki muuttuu antikrikariksi tai antiikkärki muuttuu kvarkkiksi. Kokeet ovat kuitenkin osoittaneet, että tämä voi tapahtua useammin yhteen suuntaan kuin toiseen - seurauksena on ajan myötä enemmän ainetta kuin antimateriaa.
Mainosvideo:
Kolmas kerta on maaginen
Kvarkeja sisältävien hiukkasten joukossa sellaisia epäsymmetrioita löytyi vain outoista ja kauniista kvarkeista - ja näistä löytöistä tuli erittäin tärkeitä. Aivan ensimmäinen epätavallisten hiukkasten epäsymmetrian havaitseminen vuonna 1964 antoi teoreetikoille ennustaa kuuden kvarkin olemassaolon - aikaan, jolloin vain kolmen tiedettiin olevan olemassa. Asymmetrian havaitseminen kauniissa hiukkasissa vuonna 2001 oli lopullinen vahvistus mekanismista, joka johti kuuden kvarkin kuvaan. Molemmat löytöt ansaitsivat Nobel-palkinnot.
Sekä outoilla että kauniilla kvarkeilla on negatiivisia sähkövarauksia. Ainoa positiivisesti varautunut kvarkki, jonka teoriassa pitäisi kyetä muodostamaan hiukkasia, joilla voi olla aineen ja antimaterian epäsymmetria, on viehätetty. Teorian mukaan hän tekee tämän, hänen vaikutuksensa pitäisi olla merkityksetön ja vaikea löytää.
Mutta LHCb-kokeilu Large Hadron Collider -yrityksessä pystyi havaitsemaan tällaisen epäsymmetrian D-mesonien nimissä partikkeleissa, jotka koostuvat hurmioiduista kvarkeista - ensimmäistä kertaa. Tämän tekee mahdolliseksi ennennäkemätön määrä hurmastettuja hiukkasia, joita syntyy suoraan törmäyksissä LHC: ssä. Tulos osoittaa, että todennäköisyys, että kyseessä on tilastollinen heilahtelu, on 50 / miljardia.
Jos tämä epäsymmetria ei ole syntynyt samasta mekanismista, joka johtaa omituisten ja kauniiden kvarkkien epäsymmetriaan, on tilaa uusille aine-antimaterian epäsymmetrialähteille, jotka voivat lisätä maailmankaikkeuden asymmetriaa. Ja tämä on tärkeää, koska useat tunnetut epäsymmetriatapaukset eivät pysty selittämään miksi universumissa on niin paljon ainetta. Pelkästään viehätyskorkki löytö ei riitä täyttämään tätä ongelmaa, mutta se on tärkeä palapelin osa ymmärtää hiukkasten perustavanlaatuisia vuorovaikutuksia.
Seuraavat vaiheet
Tätä löytöä seuraa lisääntynyt määrä teoreettisia töitä, jotka auttavat tuloksen tulkinnassa. Mutta mikä tärkeintä, hän hahmottaa uusia testejä syventääksemme ymmärrystämme löytöstämme - ja jotkut näistä testeistä ovat jo käynnissä.
Tulevalla vuosikymmenellä päivitetty LHCb-koe lisää tällaisten mittausten herkkyyttä. Sitä täydentää vasta alkamassa oleva Belle II -kokeilu Japanissa.
Antimateria on myös monien muiden kokeiden ytimessä. CERNin Antiproton-moderaattorissa tuotetaan kokonaisia antiatomeja, ja ne tarjoavat valikoiman erittäin tarkkoja mittauskokeita. Koe AMS-2 kansainvälisellä avaruusasemalla etsii avaruudesta johdettua antimateriaa. Joukko nykyisiä ja tulevia kokeita on omistettu kysymykseen siitä, onko neutriinoilla aine-antimaterian epäsymmetria.
Vaikka emme vieläkään pysty täysin purkamaan aineen ja antimaterian epäsymmetrian mysteeriä, viimeisin löytömme avasi oven tarkkojen mittausten aikakauteen, joka voi paljastaa vielä tuntemattomia ilmiöitä. On syytä uskoa, että fyysikot pystyvät selittämään jonain päivänä miksi olemme täällä.
Ilja Khel