Universum är fyllt med materia, och vi vet inte varför. Vi vet hur materia skapades och kan till och med skapa materia i labbet, men det finns en hake. Varje gång vi skapar materia i partikelacceleratorer får vi lika mycket antimateria. Detta är helt okej för labbet, men om big bang skapade lika mängder materia och antimateria, skulle de två ha förstört varandra tidigt och lämnat ett kosmiskt hav av fotoner och ingen materia. Om du läser det här så hände det uppenbarligen inte.
Det är fortfarande ett av de största mysterierna inom kosmologi, och allt handlar om symmetri i fysiken. Mycket av fysiken har sina rötter i principerna om bevarande och symmetri. Utrymmet verkar vara detsamma i alla riktningar, och därför bevaras farten. Detta innebär att om du kastar en boll i ett tomt utrymme, kommer den att fortsätta sin rörelse på obestämd tid. Tidssymmetri betyder att massenergi bevaras, och så vidare. Kopplingen mellan symmetri och bevarande upptäcktes först av Emmy Noether och är nu känd som Noethers teorem.
Exempel på symmetri i fysik. Kredit: Flip Tanedo
Eftersom symmetri är grundläggande för fysiken, har en hel del forskning tittat på hur och när symmetri kan brytas. Detta är särskilt sant inom partikelfysik. Eftersom partiklar först skapades i universums tidiga period, hjälper detta oss också att förstå hur universum kom till. Inom kosmologi är en av de stora CP symmetri.
CP står för charge-parity, och det representerar en kombination av två symmetrier. Laddningssymmetri innebär att ett universum helt och hållet gjort av materia och ett som är gjort av antimateria ska bete sig på samma sätt. Det vill säga att de ska vara symmetriska. Paritet kan beskrivas som en spegelbild. Om du håller upp höger hand medan du tittar i en spegel, kommer din bild att hålla upp vänster hand. Paritetssymmetri innebär att om vänster och höger vändes i universum skulle ingenting förändras.
Om CP-symmetri alltid höll i sig, skulle vårt materiauniversum inte kunna existera. Men vi vet att CP-symmetri ibland kränks. Till exempel, 1964 fann man att en neutral partikel känd som en Kaon fanns i två typer som var CP-dualer av varandra. Om CP-symmetri bevarades, borde dessa två typer av Kaoner sönderfalla i samma takt. Vad vi fann var att de två Kaon-typerna sönderfaller i lite olika takt. Skillnaden mellan de två är bara cirka 3 delar på 1000, men den är inte noll.
En kaon förfaller till en pion och ljus. Kredit: K. Tobioka/Florida State University
Det finns också andra kända exempel, men problemet är att även om du kombinerar dem alla så räcker det inte för att ta hänsyn till ett universum som bara gäller materia. Det måste åtminstone finnas ett annat sätt att bryta mot CP-symmetri. Baserat på ny forskning publicerad iNatur, kan svaret vara neutriner.
Neutrinos har ingen elektrisk laddning, men de förekommer i både materia- och antimateriaformer, så CP-symmetri gäller fortfarande för dem. Problemet är att de är notoriskt svåra att upptäcka. Även när du inte kan upptäcka dem är det svårt att skilja neutrinos från antineutrinos.
I detta senaste arbete avfyrade T2K-samarbetet strålar av neutriner i en detektor. T2K står för T?kai till Kamioka, eftersom partikelacceleratorn finns i den japanska byn T?kai, och neutrinodetektorn finns i Kamioka. Eftersom teamet kontrollerade neutrinostrålen kunde de se om de upptäckte neutriner eller antineutriner. Genom att samla in data under ett decennium fann de ett CP-brott i en effekt som kallas neutrinoscillation.
Materieneutriner är mer benägna att dyka upp än antimaterianeutriner. Kredit: T2K Collaboration
Neutrinos har konstiga egenskaper, och en av de konstigaste är svängning. Det visar sig att neutrinos finns i tre typer ellersmaker, och en neutrino kan pendla fram och tillbaka mellan varje typ. Enligt CP-symmetri ska både neutriner och antineutrinos svänga i samma takt. Men T2K-teamet fann att de svänger i olika takt. Deras priser är så olika att de är nästan maximalt asymmetriska. Som ett resultat är det mer sannolikt att du ser materieneutriner än antimateria.
Det här kan vara svaret på materieuniversumet vi har letat efter, men vi bör vara försiktiga. Än så länge är bevisen för neutrinosymmetri svaga. Även författarna medger att deras resultat inte är tillräckligt starka för att vara avgörande. Men de är väldigt intressanta. Vi kommer att behöva mycket mer data för att verifiera resultatet, men det är ett viktigt steg mot att förstå hur vi kom hit från första början.
Referens: Kitahara, Teppei, et al.' Nya fysikkonsekvenser av senaste sökning efter K L? ?0? ¯ på KOTO .'
Referens: T2K Collaboration. ' Begränsning av den materia-antimateria-symmetri-brytande fasen i neutrinoscillationer .'