Η λοξή συμπεριφορά των νετρίνων θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της κυριαρχίας των θεμάτων στην αντιύλη
Τα νετρίνα, σχεδόν χωρίς μάζα και μόλις ανιχνεύσιμα υποατομικά σωματίδια που ξεχύνονται από αστέρια και πυρηνικούς αντιδραστήρες, συμπεριφέρονται διαφορετικά από τα αντίστοιχά τους αντιύλης, τα αντινετρίνα, αναφέρουν οι φυσικοί που εργάζονται με έναν τεράστιο ανιχνευτή σωματιδίων στην Ιαπωνία. Το αποτέλεσμα απέχει πολύ από το να είναι οριστικό, αλλά η ασυμμετρία, γνωστή ως παραβίαση της ισοτιμίας φορτίου (CP), θα μπορούσε να εξηγήσει πώς το νεογέννητο σύμπαν παρήγαγε περισσότερη ύλη από αντιύλη - και γιατί υπάρχουν σήμερα αστέρια, πλανήτες και άνθρωποι. Θα πρέπει επίσης να ενθαρρύνει τους φυσικούς που σχεδιάζουν ακόμη μεγαλύτερα πειράματα νετρίνων που στοχεύουν να δείξουν οριστικά την ασυμμετρία και να τη μετρήσουν ακριβώς.
«Είναι συναρπαστικό», λέει η Patricia Vahle, μια πειραματική φυσική νετρίνων στο Κολλέγιο του William &Mary που δεν συμμετείχε στην εργασία. "Ίσως δεν θα περάσουν δεκαετίες έως ότου μπορέσουμε να ανακαλύψουμε παραβίαση CP. Ίσως είναι λίγο πριν τον ορίζοντα."
Τα νετρίνα διατίθενται σε τρεις τύπους—ηλεκτρόνιο, μιόνιο και ταυ—και, όπως οι χαμαιλέοντες, μπορούν να αλλάξουν τύπο καθώς κουμπώνουν με φερμουάρ κοντά στην ταχύτητα του φωτός. Για παράδειγμα, ένα νετρίνο ηλεκτρονίων από τον Ήλιο μπορεί να μεταμορφωθεί σε νετρίνο ταυ πριν φτάσει στη Γη. Για τη μελέτη τέτοιων ταλαντώσεων νετρίνων, οι φυσικοί με το πείραμα T2K πυροβολούν νετρίνα μιονίων ή αντινετρίνα - που δημιουργούνται χτυπώντας πρωτόνια σε έναν στόχο γραφίτη - από το Ιαπωνικό Ερευνητικό Σύμπλεγμα Επιταχυντή Πρωτονίων (J-PARC) στο Tokai έως το SuperKamiokande (Super-K), ένα υπόγειο δεξαμενή 295 χιλιόμετρα μακριά που χωρά 50.000 τόνους υπερκαθαρού νερού και είναι επενδεδυμένη με 13.000 φωτοαισθητήρες φωτοσωλήνες.
Σπάνια, ένα νετρίνο μιονίου συγκρούεται με έναν πυρήνα στο νερό και μετατρέπεται σε μιόνιο, το οποίο διασχίζει το νερό για να παράγει ένα κύμα κρουστικού φωτός που ρίχνει έναν ενδεικτικό κύκλο στους φωτοσωλήνες. Ακόμη πιο σπάνια, ένα νετρίνο μιονίου μεταμορφώνεται σε νετρίνο ηλεκτρονίων στο ταξίδι προς το Super-K. Στη συνέχεια αλληλεπιδρά με το νερό για να παράγει ένα ηλεκτρόνιο, το οποίο ρίχνει έναν πιο ασαφή κύκλο στους φωτοσωλήνες. Όταν το T2K λειτουργεί με δέσμες αντινετρίνο, τέτοιες αλληλεπιδράσεις παράγουν είτε ένα αντιμιόνιο είτε ένα ποζιτρόνιο, των οποίων τα σήματα είναι παράλληλα με αυτά που παράγονται από τα μιόνια και τα ηλεκτρόνια.
Μετά από μια δεκαετία εκτόξευσης τρισεκατομμυρίων πρωτονίων στον στόχο τους κάθε δευτερόλεπτο, οι ερευνητές του T2K είχαν καταμετρήσει μόλις 90 νετρίνα ηλεκτρονίων και 15 ηλεκτρονιακά αντινετρίνα. Οι μετρήσεις ήταν αρκετά μεγάλες ώστε η ομάδα να καταλήξει σε ένα δελεαστικό συμπέρασμα. Τα νετρίνα μιονίων μετατρέπονται σε νετρίνα ηλεκτρονίων με υψηλότερο ρυθμό από ότι τα αντινετρίνα μιονίων μετατρέπονται σε αντινετρίνα ηλεκτρονίων, αναφέρει σήμερα η ομάδα των 357 ατόμων στο Nature .
Η διαφορά στους ρυθμούς ταλάντωσης για τα νετρίνα και τα αντινετρίνα είναι μια παραβίαση του CP, μια συμμετρία που λέει, λίγο πολύ, ότι η φυσική πρέπει να φαίνεται ίδια εάν ανταλλάξετε σωματίδια με αντισωματίδια και αντιστρέψετε όλες τις περιστροφές τους. Κάποια παραβίαση του CP φαίνεται απαραίτητη, επειδή το νηπιακό σύμπαν προφανώς παρήγαγε περισσότερη ύλη παρά αντιύλη. αλλιώς οι δυο τους θα είχαν εκμηδενιστεί εντελώς. Από τη δεκαετία του 1960, οι φυσικοί έχουν παρατηρήσει έναν υπαινιγμό παραβίασης της CP που περιλαμβάνει υποατομικά σωματίδια που ονομάζονται κουάρκ, αλλά πολύ λίγα για να εξηγήσουν την κοσμική ανισορροπία.
Η εύρεση παραβίασης CP μεταξύ των νετρίνων είναι μια ένδειξη ότι μεγαλύτερες πηγές ασυμμετρίας λειτουργούσαν στο πρώιμο σύμπαν. Τα ίδια τα νετρίνα είναι πολύ έξυπνα για να κάνουν τη δουλειά, αλλά κάθε τύπος νετρίνου μπορεί να συνδέεται με ένα πολύ βαρύτερο αποκαλούμενο στείρο νετρίνο του οποίου οι αλληλεπιδράσεις θα είχαν αλλάξει την ισορροπία. Ο εντοπισμός παραβίασης του CP μεταξύ των συνηθισμένων νετρίνων θα βοηθούσε να "ενισχυθεί" αυτή η εικόνα, λέει ο Vahle.
Το αποτέλεσμα του T2K δεν είναι οριστικό:Αποκλείει μόνο την πιθανότητα μη παραβίασης CP σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95% — ούτε καν το επίπεδο 99,7% που απαιτούν οι φυσικοί για να ισχυριστούν ισχυρά στοιχεία, πόσο μάλλον ανακάλυψη, ενός αποτελέσματος. Ωστόσο, είναι ενθαρρυντικό, λέει ο Chang Kee Jung, μέλος της ομάδας T2K από το Πανεπιστήμιο Stony Brook. Οι φυσικοί ποσοτικοποιούν την ποσότητα παραβίασης CP μεταξύ των νετρίνων κατά μια γωνία - όπως η κεφαλή μιας βελόνας σε μια πυξίδα - και μέχρι στιγμής τα αποτελέσματα T2K υποδηλώνουν ότι η βελόνα δείχνει προς μια κατεύθυνση που μεγιστοποιεί την ποσότητα παραβίασης CP, λέει ο Jung.
Ωστόσο, ο Vahle, ο εκπρόσωπος ενός ανταγωνιστικού πειράματος που ονομάζεται NuMI Off-Axis νe Εμφάνιση (ΝΟΝΑ), προτρέπει προσοχή. Από το 2014, οι ερευνητές του NONA εκτόξευσαν νετρίνα μιονίων από το Εθνικό Εργαστήριο Επιταχυντή Fermi (Fermilab) σε έναν ανιχνευτή 810 χιλιόμετρα μακριά στον ποταμό Ash της Μινεσότα. Μέχρι στιγμής, τα αποτελέσματά τους υποδηλώνουν, με λιγότερη ακρίβεια, ότι η αφηρημένη πυξίδα δείχνει προς την κατεύθυνση της μη παραβίασης της CP, λέει ο Vahle. "Περιμένω ότι η πραγματική αξία θα είναι κάπου στο ενδιάμεσο", λέει.
Για να βοηθήσουν στην επίλυση των διαφορών, οι φυσικοί σχεδιάζουν ακόμη μεγαλύτερα πειράματα για αργότερα αυτή τη δεκαετία. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να εκτοξεύσουν νετρίνα 1300 χιλιόμετρα από το Fermilab στο Deep Underground Neutrino Experiment, μια συσκευή που περιέχει 40.000 τόνους παγωμένου υγρού αργού που θα κατασκευαστεί 1,6 χιλιόμετρα υπόγεια στο Lead της Νότιας Ντακότα. Εν τω μεταξύ, ερευνητές στην Ιαπωνία έλαβαν πρόσφατα έγκριση για να αντικαταστήσουν το Super-K με το HyperKamiokande, ένα ζευγάρι ανιχνευτών που περιέχει 500.000 τόνους νερού ο καθένας. Και ο Jung λέει ότι οι ερευνητές του T2K ελπίζουν να διαρκέσουν έως το 2025 ή το 2026, αρκετά ώστε να αποκλειστεί καμία παραβίαση CP με εμπιστοσύνη μεγαλύτερη από 99%.
