Badania neutrin pomogą rozwiązać zagadkę powstania wszechświata

Dlaczego we wszechświecie materii jest więcej niż antymaterii? To pytanie fundamentalne w wyjaśnieniu zagadki powstania wszystkiego co istnieje. Przypuszcza się, że za odpowiedzią na to pytanie kryją się neutrina.

Publikacja: 09.04.2024 13:40

LHC, największy na świecie akcelerator cząstek w CERN. Stąd wyruszyły neutrina w superszybką podróż

LHC, największy na świecie akcelerator cząstek w CERN. Stąd wyruszyły neutrina w superszybką podróż

Foto: CERN

Około 14 miliardów lat temu nie było nic. Wszechświat nie miał granic, a czas wraz z przestrzenią były zwinięte w wymiarze zamkniętym. W przestrzeni biliony razy mniejszej niż kropka na końcu tego zdania wszystkie znane nam prawa fizyki były ujednolicone. W czasie ekstremalnie krótkim, którego nasz mózg nie jest w stanie zarejestrować, nazywanym „erą Plancka" (początkowa faza rozwoju czasoprzestrzeni od t=0 do t=10–44 s) grawitacja jako pierwsza wyzwoliła się od innych zunifikowanych oddziaływań. Kiedy nasz wszechświat miał już 10–35 s, pozostałe zunifikowane oddziaływania podstawowe rozdzieliły się na jądrowe silne i elektrosłabe, a te z kolei na jądrowe słabe i elektromagnetyczne. Zatem kiedy upłynęła bilionowa część sekundy, wszechświat miał cztery osobne oddziaływania, które nazywamy prawami fizyki i był zupą kipiących cząstek elementarnych, takich jak kwarki, leptony i wiele innych ich egzotycznych krewniaków. Wszelkie oddziaływania pomiędzy nimi umożliwiały niepodzielne bozony, do rodziny których zalicza się także fotony. W tej epoce kwarkowo-leptonowej wydarzyło się coś, co wpłynęło na los wszystkiego, co znamy, w tym na naszą własną przyszłość. Rozpoczęła się anihilacja materii z antymetrią, którą z jakichś nieznanych powodów wygrała materia.

Czytaj więcej

„Rewolucyjny” nadprzewodnik z Korei fiaskiem. Lista wpadek naukowców jest długa

Dlaczego materii jest więcej niż antymaterii?

Od tego czasu materia jest powszechna w kosmosie. Wszystko wokół nas – od planet, przez gwiazdy, po ziarna piasku na plaży – składa się z materii. Ale we wszechświecie jest też antymateria, która dla zwykłego obserwatora niczym nie różni się od znanej nam materii. Protony, elektrony i inne cząstki mają odpowiedniki w antymaterii: antyprotony, pozytony itp. Jednak z jakiegoś powodu antymateria występuje znacznie rzadziej niż materia. To stanowi jedną z największych tajemnic nauki. Tym bardziej, że niektóry fizycy są przekonani, że wszechświat narodził się z równych ilości materii i antymaterii, które w kontakcie ze sobą anihilują. Jeżeli zatem początkowe ilości materii i antymaterii były równe, to po procesie jednej olbrzymiej anihilacji wszechświat powinien składać się jedynie z czystej energii. Co przechyliło szalę?

W epoce kwarkowo-leptonowej wydarzyło się coś, co wpłynęło na los wszystkiego, co znamy, w tym na naszą własną przyszłość. Rozpoczęła się anihilacja materii z antymetrią

Bardzo proste wytłumaczenie postuluje profesor Neil de Grasse Tyson, który proporcje materii i antymaterii w bardzo wczesnym wszechświecie określił stosunkiem miliarda plus jeden do miliarda. Ta jedna cząsteczka przewagi, w nieustannym procesie kreacji i anihilacji oraz proces rozszerzania się wszechświata spowodowały, że znany nam kosmos złożony z materii mógł ostygnąć do temperatury poniżej biliona stopni Kelwina. To wytłumaczenie jest bez wątpienia bardzo proste, a może nawet zbyt proste, żeby było prawdziwe. Z jakiego powodu doszłoby do takiej „niesprawiedliwości” w tym początkowym pojedynku? Czemu natura, lub jak ktoś woli Stwórca, miałaby faworyzować materię nad antymaterią dodając jej jeden pocisk zapasowej amunicji?

Neutrina są kluczem do zagadki

Niektórzy fizycy uważają, że odpowiedzią na to pytanie są należące do grupy leptonów, lekkie, subatomowe cząstki zwane neutrinami. Cząstki te są niezwykle małe. chociaż dokładne masy neutrin nie są znane, przypuszcza się, że mają mniej niż jedną milionową masę elektronu lub jedną bilionową masę atomu wodoru. Powstają w wyniku rozpadów radioaktywnych w gwiazdach i innych wysokoenergetycznych środowiskach kosmicznych. Na naszej planecie powstają podczas zderzenia promieniowania kosmicznego z górnymi warstwami atmosfery, a także mogą być wytworzone sztucznie w akceleratorach cząstek i reaktorach jądrowych. Są niezwykle trudne do wykrycia, przez co zyskały przydomek „cząstek duchów”. Pierwotnie sądzono, że te nieuchwytne cząstki nie mają żadnej masy i w żaden sposób nie oddziałują na materię i antymaterię.

Czemu natura, lub jak ktoś woli Stwórca, miałaby faworyzować materię nad antymaterią dodając jej jeden pocisk zapasowej amunicji?

Pojawiają się jednak opinie, które sugerują, że w starciu materii z antymaterią przewagę tej pierwszej zapewniły neutrina. Hipotezę tę potwierdzą lub obalą badania, które zostaną przeprowadzone w detektorach neutrin w USA i w Japonii. Badania amerykańskie będą prowadzone w ramach 20-letniego eksperymentu naukowego nazwanego The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), w którym weźmie udział ponad tysiąc naukowców i współpracowników. W tym projekcie zostaną użyte dwa detektory neutrin. Pierwszy detektor: Narodowe Laboratorium Przyśpieszania Cząstek Elementarnych im. Enrico Fermiego w Batavii w pobliżu Chicago, wytworzy intensywną wiązkę bilionów neutrin i prześle na odległość 1300 kilometrów do drugiego detektora Sanford Underground Research Facility. W fazie przygotowań jest także wielki projekt badawczy Uniwersytetu Tokojskiego we współpracy z ośrodkami naukowymi z 20 państw nazwany Hyper-Kamiokande (Hyper-K). Wiązki neutrin będą wytwarzane w Japońskim Protonowym Akceleratorowym Ośrodku Badawczym J-PARC w Tokai i wysyłane do budowanego obecnie obserwatorium neutrin w mieście Hida, w prefekturze Gifu na wyspie Honsiu.Naukowcy podejrzewają, że różnica w zachowaniu neutrin i antyneutrin może wskazywać na źródła braku równowagi między materią a antymaterią. Oba projekty badawcze pomogą także ostatecznie wyznaczyć masę neutrin, wspomóc badania supernowych, znaleźć nowe wyjaśnienia powstawania gwiazd neutronowych i czarnych dziur, a nawet opisać rozpad protonu, którego nigdy nie zaobserwowano, ale który przewidują teorie wielkiej unifikacji sił podstawowych.


Około 14 miliardów lat temu nie było nic. Wszechświat nie miał granic, a czas wraz z przestrzenią były zwinięte w wymiarze zamkniętym. W przestrzeni biliony razy mniejszej niż kropka na końcu tego zdania wszystkie znane nam prawa fizyki były ujednolicone. W czasie ekstremalnie krótkim, którego nasz mózg nie jest w stanie zarejestrować, nazywanym „erą Plancka" (początkowa faza rozwoju czasoprzestrzeni od t=0 do t=10–44 s) grawitacja jako pierwsza wyzwoliła się od innych zunifikowanych oddziaływań. Kiedy nasz wszechświat miał już 10–35 s, pozostałe zunifikowane oddziaływania podstawowe rozdzieliły się na jądrowe silne i elektrosłabe, a te z kolei na jądrowe słabe i elektromagnetyczne. Zatem kiedy upłynęła bilionowa część sekundy, wszechświat miał cztery osobne oddziaływania, które nazywamy prawami fizyki i był zupą kipiących cząstek elementarnych, takich jak kwarki, leptony i wiele innych ich egzotycznych krewniaków. Wszelkie oddziaływania pomiędzy nimi umożliwiały niepodzielne bozony, do rodziny których zalicza się także fotony. W tej epoce kwarkowo-leptonowej wydarzyło się coś, co wpłynęło na los wszystkiego, co znamy, w tym na naszą własną przyszłość. Rozpoczęła się anihilacja materii z antymetrią, którą z jakichś nieznanych powodów wygrała materia.

Kosmos
Naukowcy opublikowali nowe zdjęcia Słońca. Takich fotografii jeszcze nie było
Kosmos
Kosmiczne „czerwone potwory”. Astronomowie zaskoczeni odkryciem Teleskopu Webba
Kosmos
Kosmiczny zbieg okoliczności zmylił naukowców. Przełomowe ustalenia w sprawie Urana
Kosmos
Rekordowa czarna dziura. Nowo odkryty obiekt zachowuje się inaczej niż przewiduje teoria
Materiał Promocyjny
Klimat a portfele: Czy koszty transformacji zniechęcą Europejczyków?
Kosmos
„Bóg chaosu” coraz bliżej Ziemi. Naukowcy przewidują, co stanie się z asteroidą