In het zeer vroege heelal , kort na de oerknal, bestonden zowel materie als antimaterie in gelijke hoeveelheden. Om tot nu toe onbekende redenen domineert materie echter het huidige heelal . Onderzoekers van T2K hebben onlangs aangetoond dat er mogelijk sprake is van een lading-pariteitschending in neutrino's en de bijbehorende anti-neutrino-oscillaties. Dit is een stap voorwaarts in het begrijpen waarom materie het heelal domineert.
De oerknal (die ongeveer 13.8 miljard jaar geleden plaatsvond) en andere verwante natuurkundige theorieën suggereren dat het vroege heelal werd gedomineerd door straling en dat materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden aanwezig waren.
Maar het universum zoals wij dat nu kennen, wordt gedomineerd door materie. Waarom? Dit is een van de meest intrigerende mysteries van het universum . (1).
Het universum zoals wij dat nu kennen, begon met gelijke hoeveelheden 'materie' en 'antimaterie'. Beide werden in paren gecreëerd, zoals de natuurwetten vereisen, en werden vervolgens herhaaldelijk vernietigd, waarbij straling ontstond die bekend staat als de 'kosmische achtergrondstraling'. Binnen ongeveer 100 microseconden na de oerknal begon het aantal materiedeeltjes (deeltjes) op de een of andere manier het aantal antideeltjes met bijvoorbeeld één op de miljard te overtreffen, en binnen enkele seconden was alle antimaterie vernietigd, waardoor alleen materie overbleef.
Wat is het proces of mechanisme dat dit soort verschil of asymmetrie tussen materie en antimaterie zou creëren?
In 1967 postuleerde de Russische theoretische natuurkundige Andrei Sakharov drie voorwaarden die nodig zijn voor het ontstaan van een asymmetrie (of de productie van materie en antimaterie met verschillende snelheden) in het universum . De eerste voorwaarde van Sakharov is de schending van het baryongetal (een kwantumgetal dat behouden blijft tijdens een interactie). Dit betekent dat protonen extreem langzaam vervallen tot lichtere subatomaire deeltjes zoals een neutraal pion en een positron. Op dezelfde manier vervalt een antiproton tot een pion en een elektron. De tweede voorwaarde is de schending van de ladingsconjugatiesymmetrie (C) en de ladingsconjugatie-pariteitsymmetrie (CP), ook wel ladings-pariteitschending genoemd. De derde voorwaarde is dat het proces dat de baryonasymmetrie genereert, zich niet in thermisch evenwicht mag bevinden, omdat de snelle expansie de kans op paarannihilatie verkleint.
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.
Het is bekend dat elektromagnetische en 'sterke interacties' symmetrisch zijn onder C en P, en bijgevolg ook symmetrisch onder het product CP (3). "Dit is echter niet per se het geval voor de 'zwakke interactie', die zowel de C- als de P-symmetrie schendt", aldus prof. BA Robson. Hij stelt verder dat "de schending van CP in zwakke interacties impliceert dat dergelijke fysische processen kunnen leiden tot een indirecte schending van het baryongetal, waardoor materiecreatie de voorkeur zou krijgen boven antimateriecreatie". Niet-quarkdeeltjes vertonen geen CP-schendingen, terwijl de CP-schending in quarks te klein en onbeduidend is om een verschil te maken in materie- en antimateriecreatie. Daarom wordt de CP-schending in leptonen ( neutrino's ) belangrijk, en als deze bewezen wordt, zou dat een antwoord geven op de vraag waarom het universum materie-dominant is.
Hoewel schending van de CP-symmetrie nog niet definitief is bewezen (1), tonen de recente bevindingen van het T2K-team aan dat wetenschappers er heel dichtbij zijn. Voor het eerst is aangetoond dat de overgang van deeltje naar elektron en neutrino de voorkeur heeft 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 Kamioka, Japan, die ongeveer 300 km van elkaar verwijderd liggen. De protonversneller in Tokai genereerde de deeltjes en antideeltjes door botsingen met hoge energie, en detectoren in Kamioka observeerden de neutrino's en hun antimaterie-tegenhangers, de antineutrino's, door zeer precieze metingen te verrichten.
Na analyse van jarenlange data bij T2K konden wetenschappers de parameter delta-CP meten, die de CP-symmetriebreking in neutrino-oscillatie bepaalt. Ze ontdekten een discrepantie, ofwel een voorkeur voor een verhoging van de neutrino-frequentie, wat uiteindelijk kan leiden tot de bevestiging van CP-schending in de manier waarop neutrino's en antineutrino's oscilleren. De resultaten van het T2K-team 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 betrekking tot neutrino's verband houdt met de dominantie van materie in het universum . Verdere experimenten met een grotere dataset zullen uitwijzen of deze leptonische CP-symmetriebreking groter is dan de CP-schending in quarks. Als dat zo is, hebben we eindelijk het antwoord op de vraag waarom materie dominant is in het universum .
Hoewel het T2K-experiment niet duidelijk aantoont dat er sprake is van schending van de CP-symmetrie, is het een mijlpaal in die zin dat het onomstotelijk een sterke voorkeur voor een verhoogde elektron-neutronensnelheid laat zien en ons dichter bij het bewijs van het optreden van schending van de CP-symmetrie brengt, en uiteindelijk bij het antwoord op de vraag 'waarom het universum materie-dominant is'.
***
Referenties:
1. Universiteit van Tokio, 2020. ''T2K-resultaten beperken mogelijke waarden van de CP-fase van neutrino's -…..'' Persbericht gepubliceerd op 16 april 2020. Online beschikbaar op http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Geraadpleegd op 17 april 2020.
2. De T2K-samenwerking, 2020. Beperking op de fase waarin de materie-antimateriesymmetrie wordt geschonden bij neutrino-oscillaties. Nature, 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 materie-antimaterie-asymmetrieprobleem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
