Kosmologie

Waarom is het heelal gemaakt van materie en niet van antimaterie? Nieuw experiment geeft een prikkelende hint.

2025

Wetenschappers schieten neutrino's door de aarde misschien heb een behoorlijke stap gezet in de richting van het beantwoorden van een van de meest fundamentele en verzwarende vragen die het universum ons heeft gesteld: waarom is alles gemaakt van materie en niet van antimaterie?

Oh, je kent de term? antimaterie . Een hoofdbestanddeel van sci-fi, inclusief Star Trek , het is hetzelfde als materie, maar met een tegengestelde elektrische lading. Dus een anti-elektron, een positron genoemd, heeft exact dezelfde eigenschappen als een elektron, maar heeft een positieve elektrische lading in plaats van een negatieve. Een anti-proton is als een proton maar met een negatieve lading, enzovoort.

Een andere leuke eigenschap van antimaterie is dat als je een deeltje en zijn antideeltje neemt en ze samenbrengt, knal. Big, big bang: ze worden omgezet in pure energie. EEN kavel van energie. Als ik anti-Phil zou ontmoeten en we besloten te dansen, zouden we exploderen met dezelfde energie als... 3.500 kernwapens van één megaton .

Antimaterie is niet slecht, maar je wilt het niet samen met materie krijgen. Krediet: Phil Plait

En dat is een probleem (naast het verpesten van een rave). Zie je, volgens de wetten van de fysica zoals we die begrijpen, toen het heelal heel jong was - slechts een paar minuten oud - en de temperatuur daalde genoeg naarmate het uitbreidde , het had gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten creëren.

Maar als dat waar was, zou elk deeltje zijn antideeltje hebben ontmoet, en ka beschuldigen . Er zou helemaal geen materie of antimaterie in de kosmos moeten zijn. Ze zouden allemaal vernietigd zijn. En toch zijn we hier.

In werkelijkheid waren de twee niet gelijk. Voor elke miljard of zo paren materie/antimateriedeeltjes was er één overgebleven materiedeeltje. Niet veel, maar genoeg om alle sterrenstelsels, sterren, planeten, mensen en kopjes Earl Grey-thee te verklaren die we vandaag zien nadat alle andere paren zijn vernietigd.

Maar waarom? Waarom de asymmetrie?

jurassic world: gevallen koninkrijk beoordeling

Het moet zo zijn dat onze wetten van materie/antimaterie-symmetrie op de een of andere manier worden geschonden, dat is antimaterie niet precies op de een of andere manier als materie. Maar wat?

Wetenschappers zijn al heel lang op zoek naar deze asymmetrie . De gedetailleerde fysica is interessant - er is een fantastische uitleg hiervan op de DAEδALUS-experimentsite - maar je hebt niet alles nodig om het volgende stukje te begrijpen, wat wetenschappers doen om het te vinden.

Oké, laten we hier even een uitstapje maken. Er is een ander soort subatomair deeltje dat een neutrino wordt genoemd. Het heeft veel vreemde eigenschappen, zoals het kunnen passeren van veel normale materie alsof het er niet is; het heeft gewoon niet veel met materie te maken. Een klein beetje, maar niet veel. Ze zijn er ook in drie verschillende smaken, muon-, elektron- en tau-neutrino's genoemd. Het ene soort neutrino kan spontaan in een ander soort veranderen terwijl het door de ruimte reist.

En de reden dat ik ze hier noem, is dat wanneer je de ongelooflijk complexe vergelijkingen doorloopt die neutrino's en hun antimaterie-equivalenten beheersen, je een hint vindt dat ze misschien niet hetzelfde werken. Er kan inderdaad sprake zijn van een asymmetrie daar, dus daar hebben wetenschappers hun inspanningen op geconcentreerd.

En hier komen we bij het zeer interessante deel: Wetenschappers met... de T2K-samenwerking net aangekondigd ze hebben deze symmetrieschending misschien gemeten in neutrino's . De resultaten zijn niet ijzersterk, maar ze zijn erg interessant.

Het experiment omvat het creëren van een bundel muon-neutrino's en het afvuren van het Japan Proton Accelerator Research Complex (JPARC) door de vaste aarde, 295 kilometer verderop, naar de Super-Kamiokande neutrino-detector.

Ze doen dit door protonen te versnellen tot een koolstofmonster, dat vervolgens muonneutrino's uitspuwt in een straal die is gericht op Super-Kamiokande. Als ze daar een milliseconde later (!!) aankomen, zullen een heel, heel weinig van deze neutrino's een atoom raken in de 50.000 ton uiterst zuiver water opgeslagen in een tank en een muon creëren, nog een ander type deeltje. De meeste neutrino's gaan er echter dwars doorheen, en daarom heeft het 20 jaar geduurd om koolstof met protonen te dichten om resultaten te krijgen.

Maar sommigen van hen veranderen van smaak en worden elektron neutrino's in die korte tijd voordat ze bij de watertank komen. Als dat gebeurt, raken ze de atomen in de tank en creëren ze een elektron in plaats van een muon.

Ook kan JPARC muon maken anti ook neutrino's. Hetzelfde gebeurt: sommige maken muonen in de tank, en sommige veranderen in elektronen-antineutrino's en maken elektronen.

Het vinden van antimaterie is gemakkelijk als u de aanwijzingen kent waarnaar u moet zoeken. Krediet: Shutterstock / Phil Plait

Als materie/antimaterie-symmetrie geldt, dan zou de verhouding van muonen tot elektronen gegenereerd door neutrino's hetzelfde moeten zijn als voor antineutrino's. Maar wat ze vonden, is dat de verhouding anders lijkt te zijn! Muon-neutrino's lijken meer in elektronenneutrino's te veranderen dan hun antimaterie-tegenhangers.

Heel groot, als het waar is.

Maken de wetten van de fysica onderscheid tussen materie en antimaterie? Dit experiment laat doorschemeren dat het antwoord ja is. Het probleem is dat het niet definitief is. De gouden standaard is dat je statistisch gezien 99,7% vertrouwen hebt in een resultaat (de 5-sigma-standaard genoemd). Dit resultaat heeft een laag aantal resultaten, wat een statistische zekerheid geeft van 'slechts' 95% (3 sigma). Het is erg provocerend, maar niet concreet, en nog geen ontdekking te noemen.

Oh, maar het is zooo prikkelend.

In de duivelse vergelijkingen die het neutrino-gedrag beheersen, wordt getest, een parameter genaamd delta-CP; als er een verschil is tussen materie en antimaterie, zit het in dat getal. Het kan in theorie veel waarden aannemen, maar dit experiment lijkt in de praktijk ongeveer de helft uit te sluiten. Dat beperkt precies waar wetenschappers in de vergelijkingen moeten kijken om te zien hoe het universum zich gedraagt, waarom het de voorkeur geeft aan materie boven antimaterie. Er is nog veel meer werk nodig, maar deze resultaten lijken in ieder geval in een richting te wijzen, en dat is meer dan we eerder hadden.

En hey: langs de weg van begrip gewoon waarom de kosmos houdt van het ene soort deeltje boven het andere, we kunnen erachter komen hoe de een over de ander te maken. En wie weet waar we dan moedig naartoe kunnen gaan?