Teadlased uurivad saladuste uurimist ja mida suurem on mõistatus, seda suurem on entusiasm. Teaduses on palju tohutult vastamata küsimusi, kuid suureks minnes on raske läbi lüüa: "Miks on midagi, mitte midagi?"
See võib tunduda filosoofiline küsimus, kuid see on küsimus, mida on väga võimalik uurida. Sõnastatud pisut konkreetsemalt: "Miks on universum valmistatud just sedalaadi ainest, mis teeb inimelu võimalikuks, et saaksime selle küsimuse isegi esitada?" Jaapanis uuringuid läbi viinud teadlased teatasid eelmisel kuul mõõtmisest, mis tegeleb otseselt kõige põnevamate uurimistega. Näib, et nende hinnang ei vasta praeguse teooria lihtsamatele ootustele ja võib osutada sellele ajatule küsimusele vastuse leidmisele.
Nende mõõtmine näib ütlevat, et teatud subatomiliste osakeste komplekti puhul toimivad mateeria ja antimaterjal erinevalt.
Matter v. Antimaterjal
Jaapanis Tokai linnas asuva kiirendi J-PARC abil lasid teadlased Maa kaudu kummituslikest subatomaatilistest osakestest koosnevate neutriinode ja nende antimaterjalide (antineutrinode) tala Super Kamiokande eksperimendisse, mis asub ka Jaapanis Kamiokas. Selle katse nimega T2K (Tokai kuni Kamiokande) eesmärk on teha kindlaks, miks meie universum koosneb mateeriast. Neutrinode eripärane käitumine, mida nimetatakse neutriino võnkumisteks, võib sellele väga vaevavale probleemile veidi valgust heita.
Küsimine, miks universum mateeriast koosneb, võib tunduda omapärane küsimus, kuid on väga hea põhjus, et teadlased on sellest üllatunud. Selle põhjuseks on asjaolu, et lisaks mateeria olemasolust teadmisele teavad teadlased ka antimaterjali.
1928. aastal pakkus Briti füüsik Paul Dirac välja antimaterjali olemasolu - aine antagonistlik õde-vend. Kombineerige võrdses koguses ainet ja antimaterjali ning need kaks hävitavad üksteise, andes tulemuseks tohutu hulga energiat. Ja kuna füüsikapõhimõtted toimivad tavaliselt sama hästi vastupidiselt, kui teil on uhket energiakogust, võib see muunduda täpselt võrdseteks aine- ja antimaterjalideks. Antimaterjali avastas 1932. aastal ameeriklane Carl Anderson ja teadlastel on selle omaduste uurimiseks olnud ligi sajand.
See fraas "täpselt võrdsetesse kogustesse" on aga nõme tuum. Lühikestel hetkedel vahetult pärast Suurt Pauku oli universum energiat täis. Selle energia laienedes ja jahtumisel oleks see energia pidanud muutuma võrdsetes osades ainet ja antimateriat käsitlevatest subatomaatilistest osakestest, mis peaksid olema tänapäeval jälgitavad. Ja ometi koosneb meie universum põhiliselt täielikult ainest. Kuidas see saab olla?
Kui loendada aatomite arv universumis ja võrrelda seda meie nähtava energiahulgaga, leidsid teadlased, et "täpselt võrdne" pole päris õige. Millegipärast, kui universum oli umbes kümnendik triljonit sekundit vana, kaldusid loodusseadused alati nii-pisut mateeria suunas. Iga 3 000 000 000 antimaterjalide osakese kohta oli 3 000 000 001 ainet. 3 miljardit mateeriaosakest ja 3 miljardit antimaterjaliosakest ühendati - ja hävitati tagasi energiaks, jättes väikese ainehulga moodustama tänapäeva universumi.
Kuna seda mõistatust mõisteti peaaegu sajand tagasi, on teadlased uurinud ainet ja antimaterjali, et teada saada, kas nad suudaksid leida alaaatomilistest osakestest käitumist, mis selgitaks aine liigsust. Nad on kindlad, et mateeria ja antimaterjal on valmistatud võrdsetes kogustes, kuid nad on ka märganud, et subatomiliste osakeste klass, mida nimetatakse kvarkideks, käitub käitumises, mis eelistab mateeriale pisut antimaterjali. See konkreetne mõõtmine oli peen, hõlmates osakeste klassi, mida nimetatakse K-mesoonideks ja mis võivad muunduda ainest antimaterjaliks ja tagasi. Kuid mateeria muutumisel antimaterjaliks on vastupidisega võrreldes väike erinevus. See nähtus oli ootamatu ja selle avastamine viis 1980. aasta Nobeli preemia saamiseni, kuid mõju ulatus ei olnud piisav, et selgitada, miks mateeria meie universumis domineerib.
Kummituslikud talad
Seega on teadlased pööranud oma tähelepanu neutriinodele, et teada saada, kas nende käitumine võib seletada liigset ainet. Neutrinod on subatomilise maailma kummitused. Ainult nõrga tuumajõu kaudu toimides saavad nad ainet läbida peaaegu üldse suhelda. Mastaapide mõistmiseks luuakse neutriinosid kõige sagedamini tuumareaktsioonides ja suurim tuumareaktor ümber on Päike. Enda kaitsmiseks pooltest päikeseline neutriinodest kulub umbes 5 valgusaasta sügavusele tahke plii massi. Neutrinod tegelikult ei suhtle väga.
Aastatel 1998-2001 tõestasid rea katseseeriad - üks Super Kamiokande detektorit ja teine SNO detektorit Sudbury osariigis Ontarios -, et ka neutriinode käitumine on üllatav. Nad muudavad oma identiteeti.
Füüsikud teavad kolme erinevat tüüpi neutriinoid, millest igaühel on ainulaadne subatomiline õde-vend, mida nimetatakse elektronideks, kuunideks ja tausideks. Elektrid põhjustavad elektrone ning müon ja tau osake on väga sarnased elektronidele, kuid raskemad ja ebastabiilsed.
Kolm tüüpi neutriinoid, mida nimetatakse elektronneutrinodeks, müoonneutrinodeks ja tau-neutriinodeks, võivad "morfoneeruda" teist tüüpi neutriinodeks ja jälle tagasi. Seda käitumist nimetatakse neutriino võnkumiseks.
Neutrino võnkumine on ainulaadselt kvantnähtus, kuid see on enam-vähem analoogne vanillijäätise kausist alustamisega ja pärast lusika leidmist tulete tagasi, et kauss on pool vaniljet ja pool šokolaadi. Neutrinod muudavad oma identiteedi täiesti ühe tüübiks, tüüpide seguks, täiesti erinevaks tüübiks ja seejärel tagasi algtüübiks.
Antineutrino võnked
Neutrínod on mateeriaosakesed, kuid eksisteerivad ka antimaterjalivastased neutriinod, mida nimetatakse antineutrinodeks. Ja see viib väga olulise küsimuseni. Neutrinod võnguvad, kuid kas antineutrinod ka võnguvad ja kas nad võnguvad täpselt samal viisil kui neutriinod? Vastus esimesele küsimusele on jah, samas kui vastust teisele ei tea.
Vaatleme seda pisut põhjalikumalt, kuid lihtsustatult: Oletame, et neutriinotüüpe oli ainult kaks - müon ja elektron. Oletame veel, et teil oli puhtalt müonitüüpi neutriinode valgusvihk. Neutrinosid võnkuvad kindla kiirusega ja kuna nad liiguvad valguse kiiruse lähedal, võnkuvad nad funktsioonina kaugusest, kus nad tekkisid. Nii näib puhaste müonneutriinode valgusvihk mingil kaugusel müoni ja elektronitüübi segu, siis puhtalt elektronitüübid teisel kaugusel ja siis tagasi ainult müonide juurde. Antimaterjalist neutriinod teevad sama asja.
Kui mateeria ja antimaterjalide neutriinod võnguvad veidi erineva kiirusega, siis eeldaksite, et kui te oleksite kindla vahemaa kaugusel punktist, kus loodi puhaste müoonneutriinode või müonivastaste antineutrinode valgusvihk, siis neutriinojuhtumi korral näeksite üks segu müoni ja elektronide neutriinodest, kuid antimaterjalide neutriino korral näeksite teistsugust segu antimateriaalsete müonide ja elektronide neutriinodest. Tegelikku olukorda teeb keeruliseks asjaolu, et neutriine on kolme tüüpi ja võnkumine sõltub kiirte energiast, kuid need on suured ideed.
Erinevate võnkesageduste vaatlemine neutrinode ja antineutrinode poolt oleks oluline samm mõistmaks tõsiasja, et universum koosneb ainest. See ei ole kogu lugu, sest ka uued uued nähtused peavad vastu pidama, kuid erinevus mateeria ja antimaterjalide neutriinode vahel on vajalik, et selgitada, miks universumis on rohkem ainet.
Praeguses neutriinointeraktsioone kirjeldavas teoorias on muutuja, mis on tundlik võimaluse suhtes, et neutriinod ja antineutrinod võnguvad erinevalt. Kui see muutuja on null, võnkuvad kahte tüüpi osakesed ühesuguse kiirusega; kui see muutuja erineb nullist, võnkuvad kaks osakeste tüüpi erinevalt.
Kui T2K seda muutujat mõõtis, leidsid nad, et see on vastuolus hüpoteesiga, et neutriinod ja antineutrinod ostsillaseruvad identselt. Veidi tehnilisemalt määrasid nad selle muutuja võimalike väärtuste vahemiku. On 95 protsenti tõenäosust, et selle muutuja tegelik väärtus on selles vahemikus, ja ainult 5 protsenti tõenäosus, et tegelik muutuja on sellest vahemikust väljas. Hüpotees "vahet pole" jääb väljapoole 95-protsendilist vahemikku.
Lihtsamalt öeldes viitab praegune mõõtmine sellele, et neutriinode ja antimaterjalide neutriinod võnguvad erinevalt, ehkki kindlus ei tõuse lõpliku väite esitamise tasemele. Tegelikult märgivad kriitikud, et sellise statistilise olulisuse mõõtmisega tuleks suhtuda väga, väga skeptiliselt. Kuid see on kindlasti tohutult provokatiivne algtulemus ja maailma teadlaskond on äärmiselt huvitatud paremate ja täpsemate uuringute nägemisest.
T2K eksperiment jätkab lisaandmete salvestamist, lootuses teha lõplik mõõt, kuid see pole ainus mäng linnas. Chicagost väljaspool asuvas Fermilabis tulistab sarnane eksperiment nimega NOVA Minnesota põhjaosas nii neutriinoid kui ka antimaterjalist neutriinoid, lootes T2K peksmisse lüüa. Ja vaadates rohkem tulevikku, töötab Fermilab kõvasti tööd selle lipulaevaeksperimendi nimega DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), millel on selle olulise nähtuse uurimiseks palju paremad võimalused.
Kuigi T2K tulemus pole lõplik ja ettevaatlik, on see kindlasti ahvatlev. Arvestades tohutut küsimust, miks meie universumil ei ole tuntavat antimaterjali, ootab maailma teadusringkond innukalt uusi värskendusi.
