Kosmologie

Warum besteht das Universum aus Materie und nicht aus Antimaterie? Neues Experiment gibt einen verlockenden Hinweis.

2024

Wissenschaftler, die Neutrinos durch die Erde schießen, können habe einen anständigen schritt gemacht um eine der grundlegendsten und erschwerendsten Fragen zu beantworten, die uns das Universum gestellt hat: Warum besteht alles aus Materie und nicht aus Antimaterie?

Oh, du kennst den Begriff Antimaterie . Ein Grundnahrungsmittel der Science-Fiction, einschließlich Star Trek , es ist dasselbe wie Materie, aber mit einer entgegengesetzten elektrischen Ladung. Ein Antielektron, Positron genannt, hat also genau die gleichen Eigenschaften wie ein Elektron, aber eine positive elektrische Ladung anstelle einer negativen. Ein Antiproton ist wie ein Proton, aber mit einer negativen Ladung und so weiter.

Eine weitere lustige Eigenschaft von Antimaterie ist, dass, wenn Sie ein Teilchen und sein Antiteilchen nehmen und sie zusammenbringen, knallen. Big, Big Bang: Sie wandeln sich in reine Energie um. EIN Grundstück von Energie. Wenn ich Anti-Phil treffen würde und wir uns entscheiden zu tanzen, würden wir mit der gleichen Energie explodieren wie 3.500 Atombomben von einer Megatonne .

Antimaterie ist nicht böse, aber man will sie nicht mit Materie zusammenbringen. Bildnachweis: Phil Plait

Und das ist ein Problem (außer einen Rave zu ruinieren). Sehen Sie, nach den Gesetzen der Physik, wie wir sie verstehen, als das Universum noch sehr jung war – nur wenige Minuten alt – und seine Temperatur sank genug, als es sich ausdehnte , es hätte gleiche Mengen an Materie und Antimaterie erzeugen sollen.

Aber wenn das wahr wäre, hätte jedes Teilchen sein Antiteilchen getroffen, und ka beschuldigen . Im Kosmos sollte es überhaupt keine Materie oder Antimaterie geben. Sie wären alle vernichtet worden. Und doch sind wir hier.

In Wirklichkeit waren die beiden nicht gleich. Für etwa eine Milliarde Paare von Materie/Antimaterie-Teilchen blieb ein Materieteilchen übrig. Nicht viel, aber genug, um all die Galaxien, Sterne, Planeten, Menschen und Tassen Earl Grey-Tee zu erklären, die wir heute sehen, nachdem alle anderen Paare vernichtet wurden.

Aber wieso? Warum die Asymmetrie?

Es muss sein, dass unsere Gesetze der Materie/Antimaterie-Symmetrie irgendwie verletzt werden, das ist Antimaterie nicht exakt wie Materie irgendwie. Aber was?

Wissenschaftler haben lange nach dieser Asymmetrie gesucht . Die detaillierte Physik ist interessant — dazu gibt es eine fantastische Erklärung auf dem DAEδALUS-Experimentierplatz – aber Sie brauchen nicht alles, um das nächste Stück zu verstehen, was Wissenschaftler tun, um es zu finden.

Okay, machen wir hier für eine Sekunde einen Abstecher. Es gibt eine andere Art von subatomaren Teilchen, die Neutrino genannt werden. Es hat viele seltsame Eigenschaften, wie die Fähigkeit, eine Menge normaler Materie zu passieren, als ob sie nicht da wäre; es interagiert einfach nicht viel mit Materie. Ein kleines bisschen, aber nicht viel. Sie sind auch in drei verschiedenen Geschmacksrichtungen erhältlich, die als Myon-, Elektron- und Tau-Neutrinos bezeichnet werden. Eine Art von Neutrino kann sich auf ihrer Reise durch den Weltraum spontan in eine andere Art umwandeln.

Und der Grund, warum ich sie hier erwähne, ist, dass Sie, wenn Sie die unglaublich komplexen Gleichungen für Neutrinos und ihre Antimaterie-Äquivalente durchgehen, einen Hinweis darauf finden, dass sie sich möglicherweise nicht gleich verhalten. Es kann dort tatsächlich eine Asymmetrie geben, also haben die Wissenschaftler ihre Bemühungen darauf konzentriert.

Und hier kommen wir zum sehr interessanten Teil: Wissenschaftler mit die T2K-Kollaboration gerade angekündigt sie könnten diese Symmetrieverletzung in Neutrinos gemessen haben . Die Ergebnisse sind nicht grundsolide, aber sehr interessant.

Das Experiment besteht darin, einen Strahl von Myon-Neutrinos zu erzeugen und ihn vom Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) durch die 295 Kilometer entfernte feste Erde zum Super-Kamiokande-Neutrino-Detektor abzufeuern.

Sie tun dies, indem sie Protonen in eine Kohlenstoffprobe beschleunigen, die dann Myon-Neutrinos in einem auf Super-Kamiokande gerichteten Strahl ausspucken. Wenn sie eine Millisekunde später (!!) dort ankommen, werden sehr, sehr wenige dieser Neutrinos ein Atom treffen in den 50.000 Tonnen hochreinem Wasser, die in einem Tank gespeichert sind und erschaffe ein Myon, eine weitere Art von Teilchen. Die meisten Neutrinos passieren jedoch direkt durch, weshalb es 20 Jahre dauerte, Kohlenstoff mit Protonen zu schlagen, um Ergebnisse zu erzielen.

Aber einige von ihnen ändern den Geschmack und werden zu Elektron Neutrinos in dieser kurzen Zeit, bevor sie den Wassertank erreichen. Dabei treffen sie auf die Atome im Tank und erzeugen ein Elektron anstelle eines Myons.

Außerdem kann JPARC Myonen erzeugen Anti auch Neutrinos. Das Gleiche passiert: Manche bilden Myonen im Tank, andere verwandeln sich in Elektron-Antineutrinos und erzeugen Elektronen.

wie man ihn manifestiert

Antimaterie zu finden ist einfach, wenn Sie die Hinweise kennen, nach denen Sie suchen müssen. Bildnachweis: Shutterstock / Phil Plait

Wenn die Materie/Antimaterie-Symmetrie gilt, sollte das Verhältnis von Myonen zu Elektronen, die von Neutrinos erzeugt werden, dasselbe sein wie bei Antineutrinos. Aber sie fanden heraus, dass dieses Verhältnis anders zu sein scheint! Myon-Neutrinos scheinen sich mehr in Elektron-Neutrinos zu verwandeln als ihre Antimaterie-Gegenstücke.

Sehr groß, wenn das stimmt.

Unterscheiden die Gesetze der Physik zwischen Materie und Antimaterie? Dieses Experiment weist darauf hin, dass die Antwort ja lautet. Das Problem ist, dass es nicht endgültig ist. Der Goldstandard ist, dass Sie statistisch 99,7% Vertrauen in ein Ergebnis haben (sogenannter 5-Sigma-Standard). Dieses Ergebnis weist eine geringe Anzahl von Ergebnissen auf, was eine statistische Sicherheit von „nur“ 95 % (3 Sigma) ergibt. Es ist sehr provokant, aber nicht konkret und kann noch nicht als Entdeckung bezeichnet werden.

Oh, aber es ist soooo verlockend.

In den teuflischen Gleichungen, die das zu testende Neutrino-Verhalten bestimmen, gibt es einen Parameter namens Delta-CP; Wenn es einen Unterschied zwischen Materie und Antimaterie gibt, dann in dieser Zahl. Theoretisch kann es viele Werte annehmen, aber dieses Experiment scheint in der Praxis etwa die Hälfte davon auszuschließen. Das grenzt genau ein, wo Wissenschaftler in den Gleichungen nachsehen müssen, wie sich das Universum verhält, warum es Materie gegenüber Antimaterie bevorzugt. Es ist noch viel Arbeit erforderlich, aber diese Ergebnisse scheinen zumindest in eine Richtung zu weisen, die mehr ist als zuvor.

Und hey: Auf dem Weg des Verstehens einfach warum Der Kosmos mag eine Art von Teilchen gegenüber einer anderen, wir können es herausfinden wie übereinander zu machen. Und wer weiß dann, wo wir mutig hingehen können?