In het zeer vroege heelal, kort na de oerknal, bestonden de 'materie' en de 'antimaterie' beide in gelijke hoeveelheid. Om de tot dusver onbekende redenen domineert de 'materie' het huidige universum. De T2K-onderzoekers hebben onlangs het optreden van een mogelijke lading-pariteitsschending in neutrino en de bijbehorende anti-neutrino-oscillaties aangetoond. Dit is een stap voorwaarts om te begrijpen waarom materie het universum domineert.
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.
Maar het universum dat we vandaag kennen is 'materie' dominant. Waarom? Dit is een van de meest intrigerende mysteries van het 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 poneerde de Russische theoretisch fysicus Andrei Sacharov drie voorwaarden die nodig zijn voor een onbalans (of productie van materie en antimaterie met verschillende snelheden) in het universum. De eerste Sacharov-voorwaarde 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. Evenzo vervalt een antiproton in een pion en een elektron. De tweede voorwaarde is de schending van ladingsconjugatiesymmetrie, C, en ladingsconjugatie-pariteitssymmetrie, CP ook wel Charge-Parity-schending genoemd. De derde voorwaarde is dat het proces dat baryon-asymmetrie genereert niet in thermisch evenwicht mag zijn vanwege snelle uitzetting, waardoor het optreden van paar-annihilatie wordt verminderd.
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 in zwakke interacties impliceert dat dergelijke fysieke processen 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-schending in quarks te klein en onbeduidend is om een verschil te hebben in het ontstaan van materie en antimaterie. Dus de CP-schending in leptonen (neutrino's) wordt belangrijk en als het wordt bewezen, zou het een antwoord zijn op de vraag waarom het universum materiedominant is.
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 analyse van enkele jaren aan gegevens bij T2K, waren wetenschappers in staat om de parameter delta-CP te meten, die de CP-symmetrie-breking in neutrino-oscillatie regelt en de mismatch of een voorkeur voor verbetering van de neutrino-snelheid gevonden die uiteindelijk kan leiden tot de bevestiging van CP-schending in de manier waarop neutrino's en antineutrino's oscilleerden. De resultaten die door het T2K-team zijn gevonden, zijn significant met een statistische significantie van 3-sigma of een betrouwbaarheidsniveau van 99.7%. Het is een mijlpaal, aangezien de bevestiging van CP-schending met neutrino's verband houdt met de dominantie van materie in het 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, hebben we eindelijk het antwoord op de vraag waarom het universum materiedominant is.
Hoewel het T2K-experiment niet duidelijk vaststelt dat CP-symmetrieschending heeft plaatsgevonden, is het een mijlpaal in de zin dat het onomstotelijk een sterke voorkeur toont voor een verhoogde elektronenneutronensnelheid en ons dichter bij het bewijs van het optreden van CP-symmetrieschending brengt en uiteindelijk bij de antwoord 'waarom het heelal materie dominant is'.
***
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
***
