Hvorfor tilintetgjorde universet sig selv? Neutrinoer kan have svaret

Alysia Marino og Eric Zimmerman, fysikere ved CU Boulder, har været på jagt efter neutrinoer i de sidste to årtier.

Det er ikke let:Neutrinoer er blandt de mest undvigende subatomære partikler, som videnskaben kender. De har ikke en ladning og er så lette - hver enkelt har en masse mange gange mindre end elektronet - at de kun i sjældne tilfælde interagerer med verden omkring dem.

De kan også indeholde nøglen til nogle af fysikkens dybeste mysterier.

I en undersøgelse offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , Marino, Zimmerman og mere end 400 andre forskere på et eksperiment ved navn T2K er kommet tættere på at svare på en af ​​de store:Hvorfor udslettede universet sig ikke i et voldsomt energibar ikke længe efter Big Bang?

Den nye forskning tyder på, at svaret kommer ned på en subtil uoverensstemmelse i den måde, neutrinoer og deres onde tvillinger, antineutrinoerne, opføre sig - en af ​​de første indikationer på, at fænomener kaldet stof og antimateriale måske ikke er de nøjagtige spejlbilleder, mange forskere troede på.

Gruppens fund viser, hvad forskere kan lære ved at studere disse beskedne partikler, sagde Zimmerman, professor ved Institut for Fysik.

"Selv for 20 år siden området neutrino fysik var meget mindre end det er i dag, " han sagde.

Marino, lektor i fysik, var enige. "Der er stadig meget, vi forsøger at forstå om, hvordan neutrinoer interagerer, " hun sagde.

Stort brag

Neutrinoer, som først blev opdaget i 1950'erne, produceres ofte dybt inde i stjerner og er blandt de mest almindelige partikler i universet. Nogensinde andet, billioner af dem passerer gennem din krop, selvom få om nogen vil reagere med et enkelt af dine atomer.

For at forstå, hvorfor denne kosmiske mælkebøttefnug er vigtig, det hjælper at gå tilbage til begyndelsen - selve begyndelsen.

Baseret på deres beregninger, fysikere mener, at Big Bang må have skabt en enorm mængde stof sammen med en lige stor mængde antimateriale. Disse partikler opfører sig nøjagtigt som, men har modsatrettede afgifter fra, protonerne, elektroner og alt det andet stof, der udgør alt, hvad du kan se omkring dig.

Der er kun et problem med den teori:Materiale og antimateriale udsletter hinanden ved kontakt.

"Vores univers i dag er domineret af stof og ikke antimateriale, "Så sagde Marino." Så der skulle være en proces i fysikken, der adskilte stof fra antimateriale og kunne have givet anledning til et lille overskud af protoner eller elektroner over deres antipartikler. "

Over tid, det lille overskud blev et stort overskud, indtil der stort set ikke var nogen antimateriale tilbage i kosmos. Ifølge en populær teori, neutrinoer underliggende denne uoverensstemmelse.

Zimmerman forklarede, at disse subatomære partikler findes i tre forskellige typer, som forskere kalder "smag, "med unikke interaktioner. De er muonneutrino, elektronneutrino og tauneutrino. Du kan tænke på dem som fysikerens napolitanske is.

Disse smag, imidlertid, ikke blive siddende. De svinger. Hvis du giver dem nok tid, for eksempel, oddsene for at en muonneutrino forbliver en muonneutrino kan ændre sig. Forestil dig at åbne din fryser og ikke vide, om den vanilleis, du efterlod nu, vil være chokolade eller jordbær, i stedet.

Men er det samme tilfældet for antineutrinoer? Tilhængere af teorien om "leptogenese" hævder, at hvis der endda var en lille forskel i, hvordan disse spejlbilleder opfører sig, det kunne gå langt i retning af at forklare ubalancen i universet.

"Det næste store trin i neutrino -fysik er at forstå, om neutrino -svingninger sker i samme hastighed som antineutrino -svingninger, "Sagde Zimmerman.

Rejser Japan

At, imidlertid, betyder at observere neutrinoer på nært hold.

T2K, eller Tokai til Kamioka, Eksperiment går ekstremt langt for at gøre netop det. I denne indsats, forskere bruger en partikelaccelerator til at skyde bjælker bestående af neutrinoer fra et forskningssted i Tokai, Japan, til detektorer i Kamioka - en afstand på mere end 180 miles eller hele bredden af ​​Japans største ø, Honshu.

Zimmerman og Marino har begge deltaget i samarbejdet siden 2000'erne. I de sidste ni år har duoen og deres kolleger fra hele verden har afvekslet studier af bjælker af muonneutrinoer og muonantineutrinoer.

I deres seneste undersøgelse, forskerne ramte pay snavs:Disse stofstykker og antimateriale ser ud til at opføre sig anderledes. Muon neutrinoer, Zimmerman sagde, er mere tilbøjelige til at oscillere til elektronneutrinoer end deres antineutrino -modstykker.

Resultaterne kommer med store forbehold. Holdets fund er stadig en smule genert for fysikfællesskabets guldstandard for en opdagelse, et mål for statistisk signifikans kaldet "fem-sigma." T2K -samarbejdet opgraderer allerede eksperimentet, så det kan indsamle flere data og hurtigere for at nå dette mærke.

Men, Marino sagde, resultaterne giver et af de mest pirrende antydninger til dato, at nogle former for stof og antimateriale kan virke anderledes - og ikke med en triviel mængde.

"For at forklare T2K -resultaterne, forskellen skal være næsten det største beløb, du muligvis kan få "baseret på teori, hun sagde.

Marino ser undersøgelsen som et vindue til neutrinoernes fascinerende verden. Der er mange mere presserende spørgsmål omkring disse partikler, også:Hvor meget, for eksempel, vejer hver smag af neutrino? Er neutrinoer, i et virkelig underligt twist, faktisk deres egne antipartikler? Hun og Zimmerman deltager i et andet samarbejde, en kommende indsats kaldet Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), det vil hjælpe den opgraderede T2K med at finde disse svar.

"Der er stadig ting, vi finder ud af, fordi neutrinoer er så svære at producere i et laboratorium og kræver så komplicerede detektorer, "Marino sagde." Der er stadig plads til flere overraskelser. "