— Published on 26/04/2020 / Bug.hr.
Naš um simetriju povezuje s ljepotom a svemir je, po pitanju materije i antimaterije, asimetričan; leptogeneza, hipotetski proces koji bi objasnio asimetriju, dobio je prvu eksperimentalnu potvrdu
Građeni smo od atoma. Ne samo mi, ljudi. Od atoma su građeni i virusi, i Zemljina kora, i asteroidi. A svi ti atomi sastoje se od samo tri različite elementarne čestice: elektrona, gornjeg kvarka i donjeg kvarka. Po tri kvarka grade jedan nukleon: ili proton (dva gornja i jedan donji kvark) ili neutron (dva donja i jedan gornji kvark). Nukleoni pak grade atomske jezgre koje zajedno s elektronskim omotačima čine atome. Tako stvari stoje sa svijetom koji nas okružuje. Sve se može svesti na samo tri elementarna sastojka.
No, fizičari čestica otkrili su da elementarnih sastojaka ima deset puta više. Osim elektrona postoje još mion i taon, iz klase čestica koju nazivamo leptonima. A leptonima pripadaju još i bizarni neutrini: elektronski, mionski i taonski. Ukupno postoji šest leptona klasificiranih u tri generacije. Ni kvarka nisu samo dva. I njih je šest, opet klasificiranih u tri generacije. Sve u svemu, 12 čestica. Tri grade svijet, a devet ih je u pričuvi. Povremeno se pojave, primjerice u akceleratorima čestica, pa opet brzo nestanu.
Postoje još i nositelji sila, koji za ovu temu nisu bitni, te 12 antičestica, koje jesu bitne. Svaki kvark i svaki lepton ima svoju antičesticu. Ukupno su dakle 24 leptona i kvarka te šest nositelja sila: 30 čestica u okviru modela koji nazivamo standardni model čestica i sila. Taj model je najbolji opis temeljne građe tvari koji zasad imamo. Izvanredno je precizan i dobro potvrđen brojnim eksperimentima. Ali, daleko od toga da je potpun. Postoje još mnoga otvorena pitanja. Primjerice, standardni model tretira čestice i antičestice potpuno ravnopravno. No, u svijetu koji nas okružuje te ravnopravnosti nema. Postoji samo materija sastavljena od čestica. Antimaterije, sastavljene od antičestica, nema. Osim sporadično. U procesima koje nazivamo tvorba parova nastaju i čestica i njezina antičestica. To se neprekidno događa u visokoenergijskim interakcijama, primjerice pri upadu kozmičkih zraka u Zemljinu atmosferu. No, antičestice ne potraju dugo. Brzo nestanu u nekom sudaru s česticom pri čemu se sva materija pretvori u energiju u procesu koji nazivamo anihilacija. Preostaje samo materija, kako na Zemlji tako i u cijelom opazivom svemiru. Ta asimetrija između materije i antimaterije, jedan je od nerješenih problema u fizici.
.
Leptogeneza – generator asimetrije u ranom svemiru
U standardnom modelu čestica i sila očuvan je leptonski broj. To znači da u nastanak jednog leptona, koji ima pozitivan leptonski broj, povlači i nastanak jednog antileptona, koji ima negativan leptonski broj. Tako se leptonski broj u procesima ne mijenja. Nebrojeni eksperimenti to su potvrdili bez iznimke. Nastanak novih leptona u svemiru je nedopušten.
No, s obzirom da mnoštvo leptona danas postoji, a da njihove antičestice ne nalazimo, morali su se u nekoj fazi razvoja svemira odvijati procesi u kojima leptonski broj nije očuvan. To je fizika izvan standardnog modela koju predviđaju teorije vrlo rane faze razvoja svemira. Tadašnji ekstremni uvjeti, vrlo visoke temperature i gustoće, mogli su omogućiti procese u kojima su nastajali leptoni bez nastanka antileptona. Upravo to predviđa leptogeneza, hipotetski proces nastanka leptona u ranom svemiru kojim fizička kozmologija objašnjava današnju dominaciju leptona nad antileptonima. Leptogeneza je, zbog očuvanja naboja (za čije narušenje ne nalazimo ni empirijskih ni teorijskih naznaka) povezana s bariogenezom, pojavom barion-antibarion asimetrije. I barioni, sustavi tri vezana kvarka poput protona, danas dominiraju nad antibarionima. Teorija predviđa da su i leptogeneza i bariogeneza ostavile svojevrsni biljeg na današnjoj materiji koji je vidljiv kroz proces nazvan narušenje CP-simetrije.
.
Neutrinske oscilacije kao ključ problema asimetrije
Narušenje CP-simetrije kod bariona bilo je opaženo još 1964. godine. Fizičari James Cronin i Val Fitch su 1980. godine za to otkriće dobili Nobelovu nagradu. Međutim, narušenje CP-simetrije kod bariona nije dovoljno za potpuno objašnjenje današnje asimetrije između materije i antimaterije. Za potpuno objašnjenje bilo bi potrebno potvrditi i leptogenezu, kroz narušenje CP-simetrije kod leptona. No, to nije bilo ostvareno sve do nedavno.
Teorija predviđa da bi narušenje CP-simetrije kod leptona trebalo bi biti mjerljivo kroz neutrinske oscilacije. Ta je pojava bila otkrivena prije otprilike 20 godina, a otkriće je 2015. godine nagrađeno Nobelovom nagradom, o čemu sam bio pisao za Bug. Ukratko, radi se o periodičnoj promjeni okusa neutrina. Neutrino biva proizveden u jednom okusu, recimo kao mionski neutrino, ali kako putuje tako mijenja okuse pa povremeno bude elektronski neutrino pa opet mionski neutrino. Kao da se lav u trku pretvara u tigra pa opet u lava i tako naizmjence. U spomenutom članku bio sam naveo da se neutrinske oscilacije mogu zgodno predočiti transformacijama Pink Pantera na samom kraju crtića Pink Sfinga.
.
Rezultati japanskog eksperimenta T2K
U eksperimentu Tokai-to-Kamioka (T2K) CP-narušenje mjereno je u neutrinskim oscilacijama između mionskog i elektronskog neutrina, te usporedno, u neutrinskim oscilacijama između mionskog i elektronskog antineutrina. Akcelerator J-PARC ubrzava protone koji u sudaru s mirnom metom proizvode mnoštvo nestabilnih čestica. Raspadom tih nestabilnih čestica nastaju, između ostalog, i mionski neutrini koji formiraju snop. Selektiranjem proizvedenih čestica moguće je ostvariti snop mionskih neutrina ili snop mionskih antineutrina.
Dio snopa usmjerava se na obližnji detektor, a dio na detektor Super Kamiokande udaljen 295 km. Neutrini koji putuju do detektora Super Kamiokande osciliraju u okusu te omogućuju mjerenje parametara koji pokazuju narušenje CP-simetrije kod leptona. Zanimljivo je da tim neutrinima ne treba vakuumirani tunel kao česticama ubrzivača u CERN-u. Neutrini naime toliko slabo međudjeluju s tvari da im materijal na putu ne smeta. Zato su, naravno, i interakcije u detektoru rijetke pa je potreban što veći detektor, što intenzivnji neutrinski snop i dugi niz godina prikupljanja podataka, kako bi se ostvarila dovoljna statistika.
Nakon 10 godina mjerenja japanski su znanstvenici prikupili dovoljan broj neutrinskih interakcija da mogu dati prvu potvrdu narušenja CP-simetrije kod leptona. Time je potvrđen mehanizam nastanka leptona u ranoj fazi razvoja svemira koji je doveo do asimetrije materije i antimaterije u današnjem svemiru. Rezultate eksperimenta objavio je ugledni znanstveni časopis Nature.