Wissenschaftler schwelgen darin, Geheimnisse zu erforschen, und je größer das Geheimnis, desto größer die Begeisterung. Es gibt viele große unbeantwortete Fragen in der Wissenschaft, aber wenn Sie groß rauskommen, ist es schwer zu schlagen: "Warum gibt es etwas statt nichts?"
Das mag wie eine philosophische Frage erscheinen, ist aber für wissenschaftliche Untersuchungen sehr zugänglich. Konkreter gesagt: "Warum besteht das Universum aus der Art von Materie, die menschliches Leben ermöglicht, damit wir diese Frage überhaupt stellen können?" Wissenschaftler, die in Japan forschen, haben im vergangenen Monat eine Messung angekündigt, die diese faszinierendsten Anfragen direkt beantwortet. Es scheint, dass ihre Messung nicht den einfachsten Erwartungen der gegenwärtigen Theorie entspricht und durchaus auf eine Antwort auf diese zeitlose Frage hindeuten könnte.
Ihre Messung scheint zu sagen, dass Materie und Antimaterie für einen bestimmten Satz subatomarer Teilchen unterschiedlich wirken.
Materie gegen Antimaterie
Mit dem J-PARC-Beschleuniger in Tokai, Japan, feuerten Wissenschaftler einen Strahl gespenstischer subatomarer Partikel namens Neutrinos und ihrer Antimaterie-Gegenstücke (Antineutrinos) durch die Erde zum Super Kamiokande-Experiment in Kamioka, ebenfalls in Japan. Dieses Experiment namens T2K (Tokai bis Kamiokande) soll bestimmen, warum unser Universum aus Materie besteht. Ein eigenartiges Verhalten von Neutrinos, das als Neutrinooszillation bezeichnet wird, könnte Licht in dieses sehr ärgerliche Problem bringen.
Die Frage, warum das Universum aus Materie besteht, mag sich nach einer besonderen Frage anhören, aber es gibt einen sehr guten Grund, warum Wissenschaftler davon überrascht sind. Das liegt daran, dass Wissenschaftler nicht nur über die Existenz von Materie Bescheid wissen, sondern auch über Antimaterie.
1928 schlug der britische Physiker Paul Dirac die Existenz von Antimaterie vor - einem antagonistischen Geschwister der Materie. Kombinieren Sie gleiche Mengen an Materie und Antimaterie und die beiden vernichten sich gegenseitig, wodurch eine enorme Menge an Energie freigesetzt wird. Und da physikalische Prinzipien in der Regel umgekehrt gut funktionieren, kann sie sich bei einer enormen Energiemenge in genau gleiche Mengen an Materie und Antimaterie umwandeln. Antimaterie wurde 1932 von dem Amerikaner Carl Anderson entdeckt und Forscher hatten fast ein Jahrhundert Zeit, um ihre Eigenschaften zu untersuchen.
Diese Phrase "in genau gleichen Mengen" ist jedoch der Kern des Rätsels. In den kurzen Augenblicken unmittelbar nach dem Urknall war das Universum voller Energie. Während es sich ausdehnte und abkühlte, hätte sich diese Energie zu gleichen Teilen in Materie und subatomare Antimaterieteilchen umwandeln müssen, was heute beobachtbar sein sollte. Und doch besteht unser Universum im Wesentlichen ausschließlich aus Materie. Wie kann das sein?
Indem die Anzahl der Atome im Universum gezählt und mit der Menge an Energie verglichen wurde, stellten wir fest, dass "genau gleich" nicht ganz richtig ist. Irgendwie, als das Universum ungefähr ein Zehntel Billionstel einer Sekunde alt war, verzerrten sich die Naturgesetze ein wenig in Richtung Materie. Für jeweils 3.000.000.000 Antimaterieteilchen gab es 3.000.000.001 Materieteilchen. Die 3 Milliarden Materieteilchen und 3 Milliarden Antimaterieteilchen vereinigten sich - und vernichteten sich wieder in Energie, so dass der geringe Materieüberschuss das heutige Universum ausmacht.
Seit dieses Rätsel vor fast einem Jahrhundert verstanden wurde, haben Forscher Materie und Antimaterie untersucht, um festzustellen, ob sie in subatomaren Partikeln ein Verhalten finden können, das den Überschuss an Materie erklärt. Sie sind zuversichtlich, dass Materie und Antimaterie in gleichen Mengen hergestellt werden, haben aber auch beobachtet, dass eine Klasse von subatomaren Partikeln, die als Quarks bezeichnet werden, Verhaltensweisen aufweisen, die Materie gegenüber Antimaterie leicht begünstigen. Diese spezielle Messung war subtil und umfasste eine Klasse von Teilchen, die K-Mesonen genannt wurden und sich von Materie in Antimaterie und wieder zurück umwandeln können. Es gibt jedoch einen geringfügigen Unterschied bei der Umwandlung von Materie in Antimaterie im Vergleich zur Umkehrung. Dieses Phänomen war unerwartet und seine Entdeckung führte 1980 zum Nobelpreis, aber das Ausmaß des Effekts reichte nicht aus, um zu erklären, warum Materie in unserem Universum dominiert.
Geisterhafte Strahlen
Daher haben Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit auf Neutrinos gerichtet, um zu sehen, ob ihr Verhalten die überschüssige Materie erklären kann. Neutrinos sind die Geister der subatomaren Welt. Sie interagieren nur über die schwache Kernkraft und können Materie passieren, ohne fast überhaupt zu interagieren. Um einen Eindruck von Skalierbarkeit zu vermitteln, werden Neutrinos am häufigsten bei Kernreaktionen erzeugt, und der größte Kernreaktor in der Umgebung ist die Sonne. Um sich vor der Hälfte der solaren Neutrinos zu schützen, würde eine Masse von festem Blei in einer Tiefe von etwa 5 Lichtjahren benötigt. Neutrinos interagieren wirklich nicht sehr viel.
Zwischen 1998 und 2001 haben eine Reihe von Experimenten - eines mit dem Super Kamiokande-Detektor und eines mit dem SNO-Detektor in Sudbury, Ontario - definitiv bewiesen, dass Neutrinos auch ein anderes überraschendes Verhalten zeigen. Sie ändern ihre Identität.
Physiker kennen drei verschiedene Arten von Neutrinos, die jeweils mit einem einzigartigen subatomaren Geschwister assoziiert sind, das Elektronen, Myonen und Taus genannt wird. Elektronen verursachen Elektrizität und das Myon- und Tau-Teilchen sind Elektronen sehr ähnlich, aber schwerer und instabiler.
Die drei Arten von Neutrinos, Elektronenneutrino, Myonenneutrino und Tau-Neutrino genannt, können sich in andere Arten von Neutrinos "verwandeln" und wieder zurück. Dieses Verhalten wird als Neutrinoschwingung bezeichnet.
Neutrino-Oszillation ist ein einzigartiges Quantenphänomen, aber es ist ungefähr analog dazu, mit einer Schüssel Vanilleeis zu beginnen. Nachdem Sie einen Löffel gefunden haben, stellen Sie fest, dass die Schüssel halb Vanille und halb Schokolade ist. Neutrinos ändern ihre Identität von einem ganz einzigen Typ zu einer Mischung von Typen, zu einem völlig anderen Typ und dann zurück zum ursprünglichen Typ.
Antineutrino-Schwingungen
Neutrinos sind Materieteilchen, aber es gibt auch Antimaterie-Neutrinos, sogenannte Antineutrinos. Und das führt zu einer sehr wichtigen Frage. Neutrinos schwingen, aber schwingen auch Antineutrinos und schwingen sie genauso wie Neutrinos? Die Antwort auf die erste Frage lautet Ja, während die Antwort auf die zweite Frage nicht bekannt ist.
Betrachten wir dies etwas ausführlicher, aber auf vereinfachte Weise: Angenommen, es gab nur zwei Neutrino-Typen - Myon und Elektron. Nehmen wir weiter an, Sie hätten einen Strahl von Neutrinos vom Typ Myon. Neutrinos schwingen mit einer bestimmten Geschwindigkeit und da sie sich in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, schwingen sie in Abhängigkeit von der Entfernung von ihrem Entstehungsort. Somit sieht ein Strahl aus reinen Myon-Neutrinos in einiger Entfernung wie eine Mischung aus Myon- und Elektronentypen aus, dann in einer anderen Entfernung wie reine Elektronentypen und dann zurück zu Nur-Myon. Antimaterie-Neutrinos machen dasselbe.
Wenn jedoch Materie- und Antimaterie-Neutrinos mit leicht unterschiedlichen Raten schwingen, würden Sie erwarten, dass Sie im Neutrino-Fall sehen würden, wenn Sie einen festen Abstand von dem Punkt hätten, an dem ein Strahl aus reinen Myon-Neutrinos oder Myon-Antineutrinos erzeugt wurde eine Mischung aus Myon- und Elektronenneutrinos, aber im Fall von Antimaterie-Neutrino sehen Sie eine andere Mischung aus Antimaterie-Myon und Elektronenneutrinos. Die tatsächliche Situation wird durch die Tatsache kompliziert, dass es drei Arten von Neutrinos gibt und die Schwingung von der Strahlenergie abhängt, aber dies sind die großen Ideen.
Die Beobachtung unterschiedlicher Schwingungsfrequenzen durch Neutrinos und Antineutrinos wäre ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Tatsache, dass das Universum aus Materie besteht. Es ist nicht die ganze Geschichte, denn es müssen auch zusätzliche neue Phänomene gelten, aber der Unterschied zwischen Materie und Antimaterie-Neutrinos ist notwendig, um zu erklären, warum es im Universum mehr Materie gibt.
In der derzeit vorherrschenden Theorie, die Neutrino-Wechselwirkungen beschreibt, gibt es eine Variable, die empfindlich auf die Möglichkeit reagiert, dass Neutrinos und Antineutrinos unterschiedlich schwingen. Wenn diese Variable Null ist, schwingen die beiden Partikeltypen mit identischen Raten. Wenn diese Variable von Null abweicht, schwingen die beiden Partikeltypen unterschiedlich.
Als T2K diese Variable maß, stellten sie fest, dass sie nicht mit der Hypothese übereinstimmte, dass Neutrinos und Antineutrinos identisch schwingen. Etwas technischer ermittelten sie einen Bereich möglicher Werte für diese Variable. Es besteht eine Wahrscheinlichkeit von 95 Prozent, dass der wahre Wert für diese Variable innerhalb dieses Bereichs liegt, und nur eine Wahrscheinlichkeit von 5 Prozent, dass die wahre Variable außerhalb dieses Bereichs liegt. Die Hypothese "kein Unterschied" liegt außerhalb des 95-Prozent-Bereichs.
Einfacher ausgedrückt deutet die aktuelle Messung darauf hin, dass Neutrinos und Antimaterie-Neutrinos unterschiedlich schwingen, obwohl die Gewissheit nicht auf das Niveau steigt, um einen endgültigen Anspruch zu erheben. Kritiker weisen darauf hin, dass Messungen mit dieser statistischen Signifikanz sehr, sehr skeptisch zu betrachten sind. Aber es ist sicherlich ein enorm provokatives erstes Ergebnis, und die wissenschaftliche Gemeinschaft der Welt ist äußerst daran interessiert, verbesserte und präzisere Studien zu sehen.
Das T2K-Experiment wird weiterhin zusätzliche Daten aufzeichnen, in der Hoffnung, eine endgültige Messung durchzuführen, aber es ist nicht das einzige Spiel in der Stadt. In Fermilab, außerhalb von Chicago, schießt ein ähnliches Experiment namens NOVA sowohl Neutrinos als auch Antimaterie-Neutrinos nach Nord-Minnesota, in der Hoffnung, T2K zu schlagen. Mit Blick auf die Zukunft arbeitet Fermilab intensiv an seinem Flaggschiff-Experiment namens DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), das weit überlegene Fähigkeiten zur Untersuchung dieses wichtigen Phänomens besitzt.
Obwohl das T2K-Ergebnis nicht endgültig ist und Vorsicht geboten ist, ist es sicherlich verlockend. Angesichts der enormen Frage, warum unser Universum keine nennenswerte Antimaterie zu haben scheint, wird die wissenschaftliche Gemeinschaft der Welt gespannt auf weitere Aktualisierungen warten.
