Wir sind dem Wissen einen Schritt näher, warum es im Universum mehr Materie als Antimaterie gibt
Die Standardmodell der Teilchenphysik ist seit Jahrzehnten das vorherrschende Mittel, um zu erklären, was die Grundbausteine der Materie sind und wie sie wechselwirken. Das erstmals in den 1970er Jahren vorgeschlagene Modell behauptet, dass es für jedes erzeugte Teilchen ein Antiteilchen gibt. Daher ist es ein bleibendes Rätsel, das dieses Modell aufwirft, warum das Universum existieren kann, wenn es theoretisch zu gleichen Teilen aus Materie und Antimaterie besteht.
Diese scheinbare Disparität, bekannt als Charge-Parity (CP)-Verletzung, ist seit vielen Jahren Gegenstand von Experimenten. Aber bisher wurde noch kein definitiver Beweis für diese Verletzung erbracht oder wie viel Materie im Universum ohne ihr Gegenstück existieren kann. Aber danke an neue Erkenntnisse herausgegeben von der internationalen Tokai-nach-Kamioka (T2K)-Kollaboration sind wir dem Verständnis, warum diese Ungleichheit existiert, möglicherweise einen Schritt näher gekommen.
Die 1964 erstmals beobachtete CP-Verletzung schlägt vor, dass unter bestimmten Bedingungen die Gesetze der Ladungssymmetrie und der Paritätssymmetrie (auch bekannt als CP-Symmetrie) nicht gelten. Diese Gesetze besagen, dass die Physik eines Teilchens dieselbe sein sollte, wenn es mit seinem Antiteilchen vertauscht würde, während seine Raumkoordinaten invertiert würden. Aus dieser Beobachtung ging eines der größten kosmologischen Mysterien hervor.
Wenn die Gesetze für Materie und Antimaterie dieselben sind, warum ist das Universum dann so von Materie dominiert? Wenn sich Materie und Antimaterie andererseits grundlegend unterscheiden, wie passt dies dann zu unseren Vorstellungen von Symmetrie? Die Beantwortung dieser Fragen ist nicht nur für unsere vorherrschenden kosmologischen Theorien wichtig, sie ist auch für das Verständnis der schwachen Wechselwirkungen, die Teilchen regeln, wesentlich.
Die internationale T2K-Kollaboration wurde im Juni 2011 gegründet und ist das erste Experiment weltweit, das sich der Beantwortung dieses Rätsels widmet, indem es Neutrino- und Anti-Neutrino-Oszillationen untersucht. Das Experiment beginnt damit, dass hochintensive Strahlen von Myon-Neutrinos (oder Myon-Anti-Neutrinos) an der erzeugt werden Japanischer Forschungskomplex für Protonenbeschleuniger (J-PARC), die dann in Richtung des Super-Kamiokande Detektor 295 km entfernt.
Dieser Detektor ist derzeit einer der größten und fortschrittlichsten der Welt und widmet sich der Detektion und Untersuchung von solaren und atmosphärischen Neutrinos. Wenn Neutrinos zwischen den beiden Einrichtungen wandern, ändern sie ihren „Geschmack“ – von Myon-Neutrinos oder Anti-Neutrinos zu Elektron-Neutrinos oder Anti-Neutrinos. Bei der Überwachung dieser Neutrino- und Anti-Neutrino-Strahlen achtet das Experiment auf unterschiedliche Schwingungsraten.
Dieser Unterschied in der Oszillation würde zeigen, dass ein Ungleichgewicht zwischen Teilchen und Antiteilchen besteht, und somit zum ersten Mal den ersten definitiven Beweis für eine CP-Verletzung liefern. Es würde auch darauf hinweisen, dass es Physik jenseits des Standardmodells gibt, die Wissenschaftler noch untersuchen müssen. Im vergangenen April wurde der erste von T2K produzierte Datensatz veröffentlicht, der einige aufschlussreiche Ergebnisse lieferte.
Das von Super-Kamiokande beobachtete Muster eines Elektron-Neutrino-Kandidatenereignisses. Bildnachweis: Kavli IMPU
Wie Mark Hartz, ein T2K-Mitarbeiter und Kavli IPMU Project Assistant Professor, kürzlich in einem Pressemitteilung :
„Obwohl die Datensätze noch zu klein sind, um eine schlüssige Aussage zu treffen, haben wir eine schwache Präferenz für große CP-Verletzungen festgestellt und freuen uns, weiterhin Daten zu sammeln und eine sensiblere Suche nach CP-Verletzungen durchzuführen.“
Diese Ergebnisse, die kürzlich in der Physische Überprüfungsschreiben ,umfassen alle Datenläufe von Januar 2010 bis Mai 2016. Insgesamt umfassten diese Daten 7,482 x 10zwanzigProtonen (im Neutrinomodus), die 32 Elektron-Neutrino- und 135 Myon-Neutrino-Ereignisse ergaben, und 7.471×10zwanzigProtonen (im Antineutrino-Modus), was 4-Elektronen-Anti-Neutrino- und 66 Myon-Neutrino-Ereignisse ergab.
Mit anderen Worten, der erste Datenstapel hat einige Hinweise auf eine CP-Verletzung geliefert, und das mit einem Konfidenzintervall von 90 %. Aber das ist erst der Anfang, und das Experiment wird voraussichtlich noch zehn Jahre dauern, bevor es abgeschlossen wird. „Wenn wir Glück haben und der CP-Verletzungseffekt groß ist, können wir bis 2026 einen 3-Sigma-Beweis oder ein Konfidenzniveau von etwa 99,7 % für eine CP-Verletzung erwarten“, sagte Hartz.
Wenn sich das Experiment als erfolgreich erweist, können Physiker möglicherweise endlich beantworten, warum sich das frühe Universum nicht selbst vernichtet hat. Es ist wahrscheinlich auch hilfreich, Aspekte des Universums aufzudecken, auf die Teilchenphysiker unbedingt eingehen möchten! Denn hier werden wahrscheinlich die Antworten auf die tiefsten Geheimnisse des Universums gefunden, etwa wie all seine fundamentalen Kräfte zusammenpassen.
Weiterlesen: Kavli IMPU, Physische Überprüfungsschreiben