האם התנהגות לא טובה של נייטרינו יכולה להסביר מדוע היקום קיים?

מדענים מתענגים על חקר התעלומות, וככל שהתעלומה גדולה יותר, ההתלהבות רבה יותר. יש הרבה שאלות עצומות שלא נענו במדע, אבל כשאתה הולך בגדול, קשה לנצח "למה יש משהו, במקום כלום?"

זה אולי נראה כמו שאלה פילוסופית, אבל זו שאלה שמאוד אפשרית לחקירה מדעית. נאמר מעט יותר באופן קונקרטי, "מדוע היקום עשוי מסוגי החומר המאפשרים חיי אדם להיות אפשרים כך שנוכל אפילו לשאול את השאלה הזו?" מדענים העוסקים במחקר ביפן הודיעו על מדידה בחודש שעבר המתייחסת ישירות למרתקים ביותר של פניות. נראה כי המדידה שלהם אינה מסכימה עם הציפיות הפשוטות ביותר מהתיאוריה הנוכחית ויכולה בהחלט להצביע על תשובה של שאלה נצחית זו.

נראה כי המדידה שלהם אומרת שעבור קבוצה מסוימת של חלקיקים תת-אטומיים, חומר ואנטי-חומר פועלים אחרת.

חומר נגד אנטימטר

באמצעות מאיץ ה- J-PARC, הממוקם בטוקאי, יפן, ירו מדענים קרן של חלקיקים תת-אטומיים רפאים המכונים נייטרינו ועמיתיהם הנוגדי-חומר (אנטי-נוטרינו) דרך כדור הארץ לניסוי Super Kamiokande, הממוקם בקמיוקה, אף הוא ביפן. הניסוי הזה, שנקרא T2K (Tokai to Kamiokande), נועד לקבוע מדוע היקום שלנו עשוי מחומר. התנהגות מיוחדת המוצגת על ידי נייטרינים, הנקראת תנודת נויטרנו, עשויה לשפוך מעט אור על הבעיה המייגעת הזו.

לשאול מדוע היקום עשוי מחומר אולי נשמע כמו שאלה מוזרה, אך יש סיבה טובה מאוד לכך שהמדענים מופתעים מכך. הסיבה לכך היא שבנוסף לידע על קיומו של חומר, מדענים יודעים גם על אנטי-חומר.

בשנת 1928 הציע הפיזיקאי הבריטי פול דיראק את קיומו של אנטי-חומר - אח אנטיוניסטי של החומר. שלב כמויות שוות של חומר ואנטי-חומר והשניים מחסלים זה את זה, וכתוצאה מכך משתחררים כמות עצומה של אנרגיה. ומכיוון שעקרונות הפיזיקה בדרך כלל עובדים באותה מידה הפוכה, אם יש לכם כמות אנרגיה אדירה, היא יכולה להמיר לכמויות שוות בדיוק של חומר ואנטי-חומר. אנטי-חומר התגלה בשנת 1932 על ידי קרל אנדרסון האמריקני ולחוקרים היה כמעט מאה לחקור את תכונותיו.

עם זאת, הביטוי "לכמויות שוות בדיוק" הוא עיקר השטף. ברגעים הקצרים מיד אחרי המפץ הגדול, היקום היה מלא אנרגיה. כאשר התרחבה והתקררה, אנרגיה זו הייתה צריכה להמיר לחלקים שווים חומר וחלקיקים תת אטומיים אנטימטריים, אותם ניתן יהיה לראות היום. ובכל זאת היקום שלנו מורכב בעיקרו לחלוטין מחומר. איך זה יכול להיות?

על ידי ספירת מספר האטומים ביקום והשוואה בין כמות האנרגיה שאנו רואים, מדענים קבעו כי "שווה בדיוק" אינו ממש נכון. איכשהו, כאשר היקום היה בערך עשירית מהטריליון של ישן שני, חוקי הטבע היו מוטים כל כך מעט לכיוון החומר. לכל 3,000,000,000 חלקיקים נגד חומר, היו 3,000,000,001 חלקיקי חומר. שלושת מיליארד חלקיקי החומר ושלושה מיליארד חלקיקי נוגדי חומר יחד - והשמידו לאנרגיה והשאירו את החומר הקל בכדי להמציא את היקום שאנו רואים כיום.

מאז שהובא פאזל זה לפני כמעט מאה שנה, חוקרים חוקרים חומר ואנטי-חומר כדי לראות אם הם יכולים למצוא התנהגות בחלקיקים תת-אטומיים שיסבירו את עודף החומר. הם בטוחים כי חומר ואנטי-חומר נוצרים בכמויות שוות, אך הם גם הבחינו כי סוג של חלקיקים תת-אטומיים המכונים קווארקים מראים התנהגויות המעדיפות מעט את החומר על פני האנטי-חומר. המדידה הספציפית הזו הייתה עדינה, וכללה סוג של חלקיקים שנקראו K mesons שיכולים להמיר מחומר לאנטי-חומר ושוב. אבל יש הבדל קל בחומר ההמרה לאנטי-חומר לעומת ההפך. תופעה זו הייתה בלתי צפויה וגילויה הוביל לפרס נובל משנת 1980, אך גודל האפקט לא הספיק בכדי להסביר מדוע החומר שולט ביקום שלנו.

קורות רפאים

כך, מדענים הפנו את תשומת ליבם לנוטרינו, כדי לבדוק אם התנהגותם יכולה להסביר את עודפי החומר. נייטרינו הם רוח הרפאים של העולם התת אטומי. באמצעות אינטראקציה באמצעות הכוח הגרעיני החלש הם יכולים לעבור דרך החומר מבלי ליצור אינטראקציה כמעט כלל. כדי לתת תחושת קנה מידה, נייטרינים נוצרים לרוב בתגובות גרעיניות והכור הגרעיני הגדול ביותר בסביבה הוא השמש. כדי להגן על עצמך ממחצית הנייטרינים השמשיים היה לוקח מסה של עופרת מוצקה בערך 5 שנות אור לעומק. Neutrinos באמת לא אינטראקציה רבה.

בין השנים 1998-2001, סדרת ניסויים - האחת באמצעות גלאי הסופר קמיוקנדה, ואחרת באמצעות גלאי SNO בסודברי, אונטריו - הוכיחו באופן מוחלט כי גם נייטרינים מפגינים התנהגות מפתיעה נוספת. הם משנים את זהותם.

פיסיקאים יודעים על שלושה סוגים נפרדים של נייטרינים, שכל אחד מהם קשור לאח תת-אטומי ייחודי, הנקרא אלקטרונים, מואונים וטאוס. אלקטרונים הם הגורמים לחשמל וחלקיק המואון והטאו דומים מאוד לאלקטרונים, אך כבדים יותר ולא יציבים.

שלושת סוגים של נייטרינו, המכונים נייטרינו האלקטרוני, נויטרינו מואון וטאו נייטרינו, יכולים "להתחלף" לסוגים אחרים של נייטרינו ולחזור שוב. התנהגות זו נקראת תנודת נייטרינו.

תנודת נוירינו היא תופעה קוונטית באופן ייחודי, אבל זה בערך אנלוגי להתחיל עם קערת גלידת וניל, ואחרי שאתה הולך למצוא כף, אתה חוזר לגלות שהקערה היא חצי וניל וחצי שוקולד. נייטרינים משנים את זהותם מלהיות לגמרי מסוג אחד, לתערובת של סוגים, לסוג אחר לגמרי ואז חזרה לסוג המקורי.

תנודות אנטיאנוטרינו

נייטרינו הוא חלקיקי חומר, אך קיימים גם נייטרינו אנטי-חומר, הנקרא אנטינו-קרינו. וזה מוביל לשאלה חשובה מאוד. נייטרינו מתנדנד, אך האם גם אנטי-נוטרינו מתנדנד והאם הם מתנדנדים באותה צורה בדיוק כמו נייטרינו? התשובה לשאלה הראשונה היא כן, ואילו התשובה לשנייה לא ידועה.

בואו נשקול את זה קצת יותר באופן מלא, אבל בצורה מפושטת: נניח שהיו רק שני סוגים של נייטרינו - מואון ואלקטרון. נניח עוד כי הייתה לך קרן של נויטרנו-טהורים מסוג muon בלבד. נייטרינו מתנדנדים במהירות ספציפית ומכיוון שהם מתקרבים למהירות האור הם מתנדנדים כפונקציה של המרחק מהמקום בו הם נוצרו. לפיכך, קרן של נויטרנו-מיונים טהורים תיראה כמו שילוב של סוגי מיון ואלקטרונים במרחק מסוים, ואז סוגים אלקטרונים טהורים במרחק אחר ואז חזרה למואון בלבד. נייטרינים אנטי-מאטרים עושים את אותו הדבר.

עם זאת, אם נייטרינו חומר וחומר אנטי-תנוד מתנדנד בקצב מעט שונה, הייתם מצפים שאם הייתם מרחק קבוע מהנקודה בה נוצרו קרן של נויטרנו-מיונים טהורים או אנטי-קיטורי-מיון, במקרה הנייטרינו הייתם רואים תערובת אחת של נויטרנו-מיונים ואלקטרונים, אבל במקרה של נייטרינו-אנטי-חומר, היית רואה תערובת שונה של נויטרנו-מונונים ואנטרון-אלקטרונים. המצב בפועל מסובך מהעובדה שישנם שלושה סוגים של נייטרינים והתנודה תלויה באנרגיית הקורה, אך אלה הם הרעיונות הגדולים.

התבוננות בתדרי תנודות שונות על ידי נייטרינו ואנטי-נוטרינו תהיה צעד חשוב להבנת העובדה שהיקום עשוי מחומר. זה לא הסיפור כולו, מכיוון שתופעות חדשות נוספות חייבות להחזיק גם כן, אך ההבדל בין חומר לבין נייטרינו אנטי-חומר הכרחי כדי להסביר מדוע יש יותר חומר ביקום.

בתיאוריה הרווחת הנוכחית המתארת ​​אינטראקציות בין נייטרינו, ישנו משתנה הרגיש לאפשרות שנוטרינו ואנטי-נוטרינו מתנדנדים אחרת. אם משתנה זה הוא אפס, שני סוגי החלקיקים מתנדנדים בקצב זהה; אם משתנה זה שונה מאפס, שני סוגי החלקיקים מתנדנדים אחרת.

כאשר T2K נמדד משתנה זה, הם מצאו שהוא אינו עולה בקנה אחד עם ההשערה כי נייטרינו ואנטי-נוטרינו מתנדנדים זהים. קצת יותר טכנית, הם קבעו טווח של ערכים אפשריים עבור משתנה זה. יש סיכוי של 95 אחוזים שהערך האמיתי עבור אותו משתנה נמצא בתחום זה ורק סיכוי של 5 אחוז שהמשתנה האמיתי נמצא מחוץ לתחום הזה. השערת "אין הבדל" אינה מחוץ לטווח 95 אחוזים.

במונחים פשוטים יותר, המדידה הנוכחית מצביעה על כך שנייטרינים ונוייטרינו נוגדי חומר מתנדנדים אחרת, אם כי הוודאות לא עולה לרמה כדי לטעון טענה מוחלטת. למעשה, המבקרים מציינים כי יש להתייחס למדידות ברמת משמעות סטטיסטית זו באופן מאוד ספקני. אך בהחלט מדובר בתוצאה ראשונית פרובוקטיבית להפליא, והקהילה המדעית בעולם מעוניינת מאוד לראות מחקרים משופרים ומדויקים יותר.

הניסוי T2K ימשיך לרשום נתונים נוספים בתקווה לבצע מדידה מוחלטת, אך זה לא המשחק היחיד בעיר. בפרמילאב, שנמצא מחוץ לשיקגו, ניסוי דומה בשם NOVA יורה גם נייטרינו וגם נייטרינו אנטי-חומר לצפון מינסוטה, בתקווה להכות את T2K לחבטה. ובמבט יותר לעתיד, פרמילאב עובדת קשה על מה שיהיה ניסוי הדגל שלה, שנקרא DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), שיהיו לו יכולות נעלות בהרבה ללמוד את התופעה החשובה הזו.

אמנם התוצאה של T2K אינה מוחלטת ומובטחת זהירות, אך היא בהחלט מפתה. בהתחשב בעוצמת השאלה מדוע נראה כי ביקום שלנו אין שום אנטי-חומר מורגש, הקהילה המדעית בעולם תחכה בשמחה לעדכונים נוספים.