In het heel vroeg universum, kort na de oerknal, de 'materie' en de 'antimaterie' bestonden beide in gelijke hoeveelheid. Om tot nu toe onbekende redenen is de 'materie' domineert het heden universum. De T2K-onderzoekers hebben onlangs het optreden van een mogelijke Charge-Parity-schending in neutrino’s en de bijbehorende anti-neutrino-oscillaties aangetoond. Dit is een stap voorwaarts in het begrijpen waarom materie domineert de universum.
De oerknal (die ongeveer 13.8 miljard jaar geleden plaatsvond) en andere verwante natuurkundige theorieën suggereren dat de vroege universum was straling 'dominant' en de 'materie' en de 'antimaterie' bestond in gelijke hoeveelheid.
De universum waarvan we vandaag de dag weten dat ‘materie’ dominant is. Waarom? Dit is een van de meest intrigerende mysteries van universum. (1).
De universum waarvan we nu weten dat ze begonnen met gelijke hoeveelheden 'materie' en 'antimaterie', beide werden in paren gecreëerd zoals de natuurwet vereist en werden vervolgens vernietigd, waarbij herhaaldelijk straling werd geproduceerd die bekend staat als de 'kosmische achtergrondstraling'. Binnen ongeveer 100 microseconden na de oerknal begon de materie (deeltjes) op de een of andere manier het aantal antideeltjes te overtreffen met bijvoorbeeld één op elke miljard en binnen enkele seconden was alle antimaterie vernietigd, waardoor alleen materie achterbleef.
Wat is het proces of mechanisme dat dit soort verschil of asymmetrie tussen materie en antimaterie zou creëren?
In 1967 postuleerde de Russische theoretisch natuurkundige Andrei Sacharov drie voorwaarden die nodig zijn om een onevenwichtigheid (of de productie van materie en antimaterie met verschillende snelheden) te laten plaatsvinden in de universum. De eerste voorwaarde van Sacharov is de schending van het baryongetal (een kwantumgetal dat behouden blijft in een interactie). Het betekent dat protonen extreem langzaam vervallen tot lichtere subatomaire deeltjes zoals een neutraal pion en een positron. Op dezelfde manier vervalt een antiproton in een pion en een elektron. De tweede voorwaarde is de schending van de ladingsconjugatiesymmetrie, C, en ladingsconjugatie-pariteitssymmetrie, CP ook wel Charge-Parity-schending genoemd. De derde voorwaarde is dat het proces dat baryonasymmetrie genereert, niet in thermisch evenwicht mag zijn als gevolg van snelle expansie, waardoor het optreden van paarvernietiging afneemt.
Het is het tweede criterium van de Sacharov voor CP-schending, wat een voorbeeld is van een soort asymmetrie tussen deeltjes en hun antideeltjes die de manier waarop ze vervallen beschrijft. Door de manier waarop deeltjes en antideeltjes zich gedragen te vergelijken, dwz de manier waarop ze bewegen, interageren en vervallen, kunnen wetenschappers bewijs vinden voor die asymmetrie. De CP-schending levert een bewijs dat sommige onbekende fysieke processen verantwoordelijk zijn voor de differentiële productie van materie en antimaterie.
Van de elektromagnetische en 'sterke interacties' is bekend dat ze symmetrisch zijn onder C en P, en dus ook symmetrisch onder het product CP (3). ''Dit is echter niet noodzakelijk het geval voor de 'zwakke interactie', die zowel C- als P-symmetrieën schendt'' zegt prof. BA Robson. Hij zegt verder dat “de schending van CP bij zwakke interacties impliceert dat dergelijke fysieke processen zouden kunnen leiden tot indirecte schending van het baryongetal, zodat het creëren van materie de voorkeur zou krijgen boven het creëren van antimaterie.” Niet-quarkdeeltjes vertonen geen CP-schendingen, terwijl de CP-schendingen in quarks te klein zijn en onbeduidend om een verschil te hebben in de creatie van materie en antimaterie. Dus de CP-overtreding in leptonen (neutrino's) belangrijk worden en als het wordt bewezen, zou het een antwoord zijn op de vraag waarom universum is materie dominant.
Hoewel de schending van de CP-symmetrie nog onomstotelijk moet worden bewezen (1), laten de bevindingen van het T2K-team onlangs zien dat wetenschappers er heel dicht bij staan. Voor het eerst is aangetoond dat de overgang van deeltje naar elektron en neutrino de voorkeur geniet boven de overgang van antideeltje naar elektron en antineutrino, door middel van zeer geavanceerde experimenten bij T2K (Tokai naar Kamioka) (2). T2K verwijst naar een paar laboratoria, het Japanse Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) in Tokai en het ondergrondse neutrino-observatorium Super-Kamiokande in de Kamioka, Japan, gescheiden door ongeveer 300 km. De protonversneller in Tokai genereerde de deeltjes en antideeltjes van botsingen met hoge energie en detectoren in Kamioka observeerden de neutrino's en hun antimaterie-tegenhangers, antineutrino's door zeer nauwkeurige metingen te doen.
Na de analyse van verschillende jaren aan gegevens bij T2K konden wetenschappers de parameter genaamd delta-CP meten, die de CP-symmetrie-breuk in neutrino-oscillatie regelt en de mismatch of een voorkeur voor verhoging van de neutrinosnelheid ontdekten die uiteindelijk kan leiden tot de bevestiging van CP-schending in de manier waarop neutrino's en antineutrino's oscilleerden. De door het T2K-team gevonden resultaten zijn significant bij een statistische significantie van 3-sigma of 99.7% betrouwbaarheidsniveau. Het is een mijlpaal, aangezien de bevestiging van CP-schending waarbij neutrino's betrokken zijn, verband houdt met de dominantie van materie in de ruimte universum. Verdere experimenten met een grotere database zullen testen of deze leptonische CP-symmetrieschending groter is dan de CP-schending in quarks. Als dat zo is, dan hebben we eindelijk het antwoord op de vraag Waarom de universum is materie dominant.
Hoewel het T2K-experiment niet duidelijk vaststelt dat er sprake is van een schending van de CP-symmetrie, is het wel een mijlpaal in de zin dat het onomstotelijk een sterke voorkeur laat zien voor een verhoogde snelheid van elektronenneutronen en ons dichter bij het bewijzen van het optreden van een schending van de CP-symmetrie brengt en uiteindelijk bij de antwoord 'waarom de universum is materie dominant'.
***
Referenties:
1. Tokyo University, 2020. ''T2K-resultaten beperken mogelijke waarden van neutrino CP-fase -....'' Persbericht gepubliceerd op 16 april 2020. Online beschikbaar op http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Betreden op 17 april 2020.
2. De T2K-samenwerking, 2020. Beperking op de materie-antimaterie-symmetrie-schendende fase in neutrino-oscillaties. Natuur volume 580, pagina's 339-344 (2020). Gepubliceerd: 15 april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Het kwestie-antimaterie-asymmetrieprobleem. Journal of High Energy Physics, Gravitatie en Kosmologie, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
