Oamenii de știință au făcut o descoperire majoră care ne-ar putea ajuta să înțelegem originea universului nostru, spun ei.
O parte a gloriei, potrivit lor, poate aparține celor mai fragile, mai excentrice şi mai evazive elemente ale naturii: neutrinii.
Aceste particule subatomice fantomatice sunt emanate de la Big Bang, soare, explodarea stelelor şi altor catastrofe cosmice, inundând universul şi trecând în fiecare secundă prin pereți şi corpurile noastre.
Vedeţi şi: Un studiu fascinant susține că materia întunecată poate fi mai veche ca Big Bang-ul
Neutrinii sunt artiștii salvării naturii.
Ne-au ajutat ei să scăpăm din Big Bang? Posibil.
Experimentele recente din Japonia, au descoperit o anomalie în comportamentul neutrinilor, iar rezultatele sugerează că, în ciuda agoniei şi distrugerii din primele clipe ale creării universului, aceste particule ar fi putut înclina balanța dintre materie şi gemenul său rău opus, antimaterie.
Vedeţi şi: Un experiment fizic important a detectat o particulă care nu ar trebui să existe
Drept urmare, universul care a început cu un echilibru pur — cu cantități egale de materie şi antimaterie — s-a încheiat cu un exces de materie: stele, găuri negre, oceane şi noi.
O echipă internaţională formată din 500 de fizicieni din 12 ţări, cunoscută sub denumirea de T2K Collaboration şi condusă de Atsuko K. Ichikawa de la Universitatea Kyoto, a raportat în Nature că ei au calculat o ușoară, dar semnificativă diferența dintre neutrini şi opusul lor, antineutrini.
Deși datele nu sunt încă suficient de convingătoare pentru a constitui o dovadă solidă, fizicienii şi cosmologii încurajează cercetătorii T2K să continuie.
„Este pentru prima dată când am obținut o indiciu al încălcării simetriei CP (en) (combinația dintre C — simetria sarcinii şi P — simetria parității) în neutrini, un lucru ce nu a fost realizat până acum”, a declarat fizicianul Federico Sánchez (en) de la Universitatea din Geneva şi purtător de cuvânt de la T2K, referindu-se la denumirea tehnică a discrepanţei dintre neutrini şi antineutrini.
„Deja doar acest lucru, este un reper adevărat”.
Însă doctorul Sánchez şi cei implicați au avertizat că este prea devreme pentru a deschide șampania.
El a subliniat că o discrepanţă de acest gen, a fost doar una din condițiile pe care Andrei Sakharov, fizicianul rus şi disident, câștigător al Premiului Nobel pentru pace în 1975, le-a prezentat în anul 1967, ca o soluţie la problema genezei materiei şi supraviețuirii ei ulterioare.
Nu au fost îndeplinite încă toate condițiile.
„Acesta este doar unul dintre ingrediente”, a spus dr. Sánchez (en).
Nimeni nu ştie de câtă discrepanţă este necesară pentru rezolvarea problemei materie-antimaterie.
„Dar, cu siguranţă, aceasta este o direcție corectă”, a spus el.
Într-un comentariu în Nature, Silvia Pascoli de la Universitatea Durham din Anglia şi Jessica Turner de la Fermi National Accelerator Laborator din Batavia, I11., au numit calculul „incontestabil de emoționant”.
„Aceste rezultate ar putea fi primele indici ale originii asimetriei materie-antimaterie în universul nostru”, au scris ele.
Vedeţi şi: Oamenii de ştiinţă folosesc laserul pentru a debloca secretele antimateriei
Echipa din Japonia a estimat semnificația statistică a rezultatului lor ca fiind „3 sigma”, ceea ce înseamnă că a avut o șansă din 1000 de a fi pur şi simplu ceva accidental.
„Dacă calculele sunt corecte, atunci neutrinii sunt esențiali pentru existenţa noastră”, a spus Michael Turner (en), un cosmolog ce lucrează acum la Fundaţia Kavli şi nu este parte la experiment.
Dar, el a adăugat, „aceasta nu este o mare descoperire”.
Vedeţi şi: Cel mai mare spărgător de atomi posibil tocmai a găsit dovezi de ce Universul nostru există
Joseph Lykken, directorul adjunct pentru cercetări la Fermilab, a fost încurajat să vadă un rezultat științific major într-o perioadă atât de teribilă.
„Colaborarea T2K a lucrat foarte mult şi a făcut o treabă excelentă pentru a obţine cât mai mult din experimentul lor”, a spus el (en).
„Una dintre cele mai mari provocări ale fizicii moderne, este de a determina dacă neutrinii sunt motivul pentru care materia a primit un avantaj faţă de antimaterie în universul timpuriu”.
Noi suntem o imperfecțiune a universului
Într-un univers perfect, noi nu am fi existat.
Potrivit dictatelor relativității lui Einstein şi legilor derutante ale teoriei cuantice, în urma Big Bangului trebuia să se fi creat un număr egal de particule şi a opuselor lor, antiparticule, ce au pus în mișcare cosmosul.
Dar când materia şi antimateria se întâlnesc, ele se anihilează reciproc, producând energie pură.
Prin urmare, în univers nu ar fi trebuit să existe materie.
Acest lucru nu s-a întâmplat. Din populația inițială întreagă de protoni şi electroni din univers, aproximativ doar o singură particulă dintr-un miliard a supraviețuit în primele câteva secunde de creație.
Aceasta a fost suficient pentru a popula cerul cu stele, planete şi a face posibilă apariția noastră.
În 1967, Sakharov a stabilit o prescripție pentru modul în care materia şi antimateria ar fi putut supraviețui pactului lor de distrugere reciprocă.
O circumstanţă este că legile naturii s-ar putea să nu fie la fel de simetrice aşa cum au presupus fizicienii ca Einstein.
Într-un univers pur simetric, fizica ar trebui să funcționeze la fel chiar dacă particulele şi-au schimbat sarcinile electrice de la pozitiv la negativ sau invers— şi, respectiv, chiar dacă coordonatele tuturor au fost schimbate de la stânga la dreapta, la fel ca într-o oglindă.
Încălcarea acestor condiții — numite invarianții de sarcină şi paritate, pe scurt C şi P — vor provoca materia şi antimaterie să acționeze diferit.
În anul 1957, Tsung-Dao de la Universitatea din Columbia şi Chen Ning Yang, pe vremea ceea la Institutul pentru Studii Avansate, au câștigat Premiul Nobel la fizică (en) pentru că au propus ceva la această problemă.
Ei au sugerat că anumite „interacțiuni slabe” ar putea încălca regula parității, iar experimentele lui Chien-Shiung Wu din Columbia (ei nu i s-a acordat premiul) au confirmat teoria.
Natura, într-un oarecare sens, este stângace.
În 1964, un grup condus de James Cronin şi Val Fitch (en), ce lucrau la Laboratorul Naţional Brookhaven de pe Long Island, au descoperit că unele particule numite kaoni încălcau atât condițiile de sarcină, cât şi de paritate, dezvăluind un indiciu de diferență dintre materie şi antimaterie.
Acești oameni de știință, de asemenea, au câștigat un premiu Nobel (en).
De atunci s-au găsit indicii ale unei discrepanţe între materie şi antimaterie în comportamentul altor particule numite mezoane B, în cadrul experimentelor de la CERN şi din alte părți.
„Într-o perspectivă mai mare, încălcarea CP (sarcină-paritate) este una considerabilă”, a spus dr. Turner (en).
„Aceasta este cauza de ce noi suntem aici!”
Atât kaoanii, cât şi mezonii B, sunt formați din quarci, aceleași tipuri de particule ce formează protonii şi neutronii, blocurile de construcție a materiei obișnuite.
Însă până acum nu există o încălcare suficientă din partea quarcilor, de miliarde de ori, pentru a explica existenţa universului de astăzi.
Vedeţi şi: Fizicienii descoperă o nouă clasă misterioasă de particule ce conțin cinci quarci
Neutrinii ar putea schimba acest lucru.
„Mulți teoreticieni consideră că găsirea încălcării CP şi studierea proprietăților sale în sectorul neutrinilor ar putea fi importante pentru înţelegerea unuia dintre marile mistere cosmologice”, a spus Guy Wilkinson (en), fizician la Oxford, ce lucrează la experimentul LHCb al CERN, dedicat problemei antimateriei.
Vedeţi şi: 18 Cele mai mari întrebări şi fenomene din fizică rămase nesoluționate
Ajutor din partea fantomelor
Neutrinii par a fi cele mai șubredă justificare a existenţei noastre — „cea mai mică cantitate de realitate imaginată vreodată de o ființă umană”, o frază atribuită lui Fredrick Reines, de la Universitatea din California, Irvine, care a descoperit neutrinii.
Ei au intrat pe scena mondială în 1930, când teoreticianul Wolfgang Pauli a postulat existenţa lor pentru a explica cantitatea mică de energie care lipsește atunci dezintegrarea radioactivă scuipă un electron.
Fizicianul italian, Enrico Fermi, le-a dat numele de „mici neutroni”, referindu-se la lipsa unei sarcini electrice la ele.
În 1955, dr. Reines i-a descoperit emanând de la un reactor nuclear. În cele din urmă el a câștigat Premiul Nobel (en).
Pe a doua poziție după fotoni, ce compun radiația electromagnetică, neutrinii sunt cele mai abundente particule subatomice din univers, renumite pentru abilitatea lor de a trece prin materia obișnuită precum fantomele printr-un zid.
Ele sunt într-atât de ușoare, încât mai rămân a fi cântărite.
Dar aceasta a fost doar începutul dezvăluirii magiei lor efemere.
În anul 1936, fizicienii au descoperit o versiune mai grea a electronului, numită muon; acest lucru a spulberat presupunerea lor că știau toate particulele elementare.
„Cine a comandat asta?” glumea teoreticianul I.I. Rabi.
Complicând şi mai tare contabilitatea cosmică, muonul a venit cu propriul neutrin asociat, numit neutrin muon, descoperit în 1962.
Aceasta a dus la un nou Premiu Nobel (en).
O altă variantă mai grea a electronului, numită tau, a fost descoperită de Martin Perl şi colaboratorii săi în experimentele de la Stanford Linear Accelerator Center din anii ’70.
Dr. Perl a împărțit Nobelul în 1995 cu dr. Reines.
De atunci fizicienii au aflat că fiecare neutrin este un amestec de trei versiuni, fiecare asociat cu un tip diferit de electroni: electronul obișnuit, care ne alimentează iluminarea şi dispozitivele; muonul care este mai gras; şi, tau, ce este şi mai gras.
Nimeni nu știe cu adevărat cum se potrivesc toate acestea.
Ca adaos la mister, pe măsură ce neutrinii călătoresc pe traseele lor inexprimabile, aceștia oscilează între diferitele lor forme „ca o pisică ce se transformă într-un câine”, a spus odată dr. Reines.
Această constatare tot a fost răsplătită cu un Premiu Nobel (en).
Un neutrin electron ce pornește într-o călătorie, posibil de la centrul soarelui, se poate transforma într-un neutrin moun sau într-un neutrin tau în momentul în care lovește Pământul.
Conform legilor simetriei, antineutrinii ar trebui să se comporte la fel.
Dar o fac oare? Aparent nu chiar. Şi această întrebare ar putea conţine o istorie de proporții cosmice.
Testarea neutrinilor
Experimentul T2K, ce semnifică de la Tokai la Kamioka (Tokai to Kamioka), este proiectat să profite de aceste oscilații a neutrinilor, pentru căutarea unei discrepanţe dintre materie şi anitmaterie.
Sau în acest caz, dintre muon neutrini şi muon antineutrini.
Începând din anul 2014, fascicule ale ambelor particule au fost generate în laboratorul J-PARC din Tokai, pe coasta de est a Japoniei, şi trimise la 290 km prin pământ spre Kamioka, în munții din vestul Japoniei.
Aici ei sunt prinși (o parte din ei) de detectorul de neutrini Super-Kamiokande, un rezervor subteran uriaș ce conține 50 000 de tone de apă foarte pură.
Rezervorul este căptușit cu 13000 de tuburi fotomultiplicatoare, ce detectează scurte sclipiri de lumină atunci când neutrinii trec prin rezervor.
Un predecesor al acestui rezervor, a făcut istorie pe 23 februarie 1987, când a detectat 11 neutrini emanați de o explozie de supernova în Marele Nor Magellanic, o galaxie din apropiere.
Oamenii de ştiinţă efectuează experimentul T2K, prin a succeda între trimiterea neutrinilor muoni şi antineutrinilor muoni — măsurându-i în timp ce pleacă din Tokai şi atunci când ajung în Kamioka, pentru a vedea câţi s-au transformat în neutrini electroni obișnuiți.
Dacă natura şi neutrinii se conduc după aceleași reguli simetrice vechi, ambele fascicule ar trebui să conțină aceeași cantitate de schimbare.
În rezumatul recentei lucrări, autorii concluzionează: „Rezultatele noastre indică încălcarea CP în leptoni, iar metoda noastră permite efectuarea unei căutări sensibile a asimetriei dintre materie şi antimaterie în oscilațiile neutrinilor, folosind fasciculele de neutrini produse de accelerator”.
Solicitat să rezume rezultatul, dr. Sánchez, un purtător de cuvânt al echipei, a spus: „În termeni relativi, mai mulți neutrini muoni trec în neutrini electroni ,decât antineutrini muoni trec în antineutrini electroni”.
Cu alte cuvinte, materia câștigă.
Acesta a fost un pas în direcția corectă, dar, dr. Sánchez, a avertizat, aceasta nu este suficient pentru a garanta victoria în lupta pentru înţelegerea existenţei noastre.
Marea realizare, spune el, este că experimentul a arătat cu siguranță că neutrinii încalcă simetria CP.
Faptul dacă o încalcă suficient de mult, nu se ştie încă.
„Timp de mult timp teoreticienii discutau, dacă încălcarea CP în neutrini ar fi suficientă”, a spus dr. Sánchez.
„Acordul general este că nu pare a fi suficient. Dar aceasta este doar o modelare şi s-ar putea să greșim”.
Lasă un răspuns