Studiul oscilaţiilor neutrinilor ar putea explica misterul asimetriei dintre materia şi antimateria din Univers
Modelul Standard al fizicii particulelor prezintă constituenţii fundamentali ai materiei și cum interacționează aceştia între ei. Conform Modelul Standard, care a fost propus inițial în anii 1970, rezultă că pentru fiecare particulă creată trebuie să existe o antiparticulă. Această constatare stă la baza misterului privind modul cum s-a format Universul, în condițiile în care, la momentul apariţiei sale, au existat, teoretic vorbind, cantităţi egale de materie și antimaterie.
Dezechilibrul evident dintre cantitatea de materie şi antimateriei în Univers, evidenţiat prin încălcarea simetriei CP în cazul barionilor, o familie de particule din care fac parte protonii și neutronii care formează toată materia din Univers, a făcut obiectul unor experimente științifice timp de mai mulți ani.
Astfel, datorită noilor descoperiri din cadrul experimentului Tokai-to-Kamioka (T2K), s-ar putea să fim cu un pas mai aproape de înțelegerea asimetriei dintre materie şi antimaterie.
Încălcarea simetriei CP a fost constatată, pentru prima dată, în anul 1964 şi aceasta arată că, în anumite condiții, nu se aplică legile privind simetria de sarcină și de paritate în cazul particulelor subatomice.
Simetria CP (sarcină-paritate) prevede că barionii din materia obişnuită se comportă exact la fel precum omologii lor din antimaterie. Orice încălcare a acestei simetrii ar însemna că legile fizicii nu sunt aceleași pentru materie şi antimaterie. Din această observație, a apărut unul dintre cele mai mari mistere cosmologice.
Dacă legile care guvernează materia și antimateria sunt aceleași, atunci de ce Universul este format preponderent din materie? Altfel spus, dacă materia și antimateria sunt fundamental diferite, atunci cum se potrivește acest lucru cu noțiunile noastre de simetrie?
Găsirea răspunsului la aceste întrebări este importantă nu numai în ceea ce privește teoriile cosmologice, cât şi pentru înțelegerea modului prin care interacțiunile slabe guvernează comportamentul particulelor subatomice.
Colaborarea internațională T2K, înfiinţată în iunie 2011, conduce primul experiment dedicat dezlegării acestui mister prin studierea oscilațiilor neutrinilor și antineutrinilor.
Experimentul T2K se bazează pe generarea unor fascicule de intensitate ridicată formate din neutrini miuonici sau antineutrini miuonici în cadrul Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), care, ulterior, sunt trimise spre detectorul Super-Kamiokande aflat la o distanţă de 295 km.
J-PARC. Credit: Wikimedia Commons
Neutrinul şi antineutrinul, antiparticula asociată neutrinului, pot fi de trei tipuri: electronic, miuonic şi tauonic.
Detectorul Super-Kamiokande este în prezent unul dintre cele mai mari și mai sofisticate detectoare din lume, scopul acestuia fiind detectarea și studierea neutrinilor solari, generaţi în Soare, și a celor din atmosfera Pământului, care rezultă în urma interacţiunii dintre radiaţia cosmică şi atmosfera Pământului. Deoarece neutrinii se deplasează între acceleratorul de protoni J-PARC şi detectorul Super-Kamiokande, ei îşi schimbă „aroma”, transformându-se, de exemplu, din neutrini miuonici în neutrini electronici.
Prin monitorizarea acestor fascicule formate din neutrini și antineutrini, fizicienii urmăresc în cadrul experimentul T2K diferitele oscilațiile ale neutrinilor, adică modul cum se transformă dintr-un tip de neutrin în altul.
Descoperirea unor diferențe de oscilație intre neutrini şi antineutrini ar oferi o primă dovadă definitivă a încălcării simetriei CP. De asemenea, această constatare ar indica existenţa unor fenomene în afara Modelului Standard pe care oamenii de știință trebuie să le investigheze.
„Chiar dacă volumul de date este încă prea mic pentru afirmaţii concludente, am constatat încălcarea simetriei CP și vom continua să colectăm date pentru o căutare mai exactă a unor fenomene ce implică încălcarea simetriei CP”, a declarat Mark Hartz, colaborator al T2K, într-un comunicat de presă.
Noile rezultate, care au fost publicate recent în Physical Review Letters, s-au bazat pe datele colectate între ianuarie 2010 și mai 2016. În total, aceste date au însumat 7,482×1020 protoni (în modul neutrin), care au generat 32 neutrini electronici și 135 neutrini miuonici și 7,471 × 1020 protoni (în modul antineutrin), care au generat 4 neutrini electronici și 66 neutrini miuonici.
Cu alte cuvinte, primul set de date a furnizat unele dovezi privind încălcarea simetriei CP cu un nivel de încredere de 90%. Acesta este însă doar începutul, deoarece experimentul T2K va mai genera date în următorii 10 ani.
„Dacă suntem norocoși și efectul de încălcare a simetriei CP este pronunţat, ne putem aștepta, până în anul 2026, la dovezi de 3 sigma sau la un nivel de încredere de aproximativ 99,7% pentru încălcarea simetriei CP”, a declarat Hartz.
În cazul în care experimentul T2K va fi încununat de succes, fizicienii ar putea, în cele din urmă, să răspundă la întrebarea de ce nu s-au anihilat reciproc materia şi antimateria din Universul timpuriu.
Sursă: Futurism