Neutrinos bieten eine Lösung für das Geheimnis der Existenz des Universums

Aktualisierte Ergebnisse des japanischen Neutrinoexperiments zeigen weiterhin Details der Fehlpaarung im Verhalten von Materie und Antimaterie

Die Neutrinos, die das Super Kamiokande- Setup durchlaufen, erzeugen eine informative Farbverteilung an den Wänden des Detektors

Wenn Sie von oben schauen, können Sie ein Loch im Boden mit einem riesigen Aufzugsschacht verwechseln. Tatsächlich führt dies jedoch zu einem Experiment, das die Frage beantworten kann, warum die Materie nicht verschwunden ist und sich kurz nach dem Urknall in eine Strahlungswolke verwandelt.

Ich befinde mich im Japan Proton Accelerator Research Complex ( J-PARC ), einem abgelegenen und gut bewachten Regierungsbüro in Tokai, ungefähr eine Stunde mit dem Zug nördlich von Tokio. Das hier laufende T2K - Experiment ( Tokai-to-Kamioka ) erzeugt einen Strahl subatomarer Teilchen, ein Neutrino. Der Strahl gelangt durch 295 km Stein zum Super Kamiokande-Detektor, einer riesigen Grube, die 1 km unter der Erde vergraben und mit 50.000 Tonnen hochreinem Wasser gefüllt ist. Während der Reise ändern einige Neutrinos ihre "Sorte" von einem zum anderen.

Das Experiment läuft heute und die ersten Ergebnisse wurden letztes Jahr bekannt gegeben. Wissenschaftler am T2K untersuchen, wie Neutrinos die Vielfalt verändern, und versuchen, die Vorherrschaft der Materie gegenüber der Antimaterie im Universum zu erklären. Während meines Besuchs erklärten mir Physiker, dass sie neue Daten verarbeiten, die im letzten Jahr erhalten wurden, und die Ergebnisse sind vielversprechend.

Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik hat jedes Teilchen seinen Spiegelpartner, der die entgegengesetzte elektrische Ladung trägt - ein Antimaterieteilchen. Wenn Materieteilchen und Antimaterie kollidieren, vernichten sie sich in einem Strahlungsstoß. Wissenschaftler glauben jedoch, dass während des Urknalls eine gleiche Menge an Materie und Antimaterie auftreten sollte, was bedeuten würde, dass alles ziemlich schnell verschwinden sollte. Aber es ist nicht verschwunden. Ein kleiner Teil der Urmaterie überlebte und bildete das uns bekannte Universum.

Die Forscher wissen nicht, warum dies passiert ist. "Es muss eine Art Partikelreaktion geben, die für Materie und Antimaterie unterschiedlich abläuft", sagt Morgan Vasco, Physiker am Imperial College in London. Zum Beispiel kann Antimaterie anders zerfallen als Materie. Wenn ja, würde dies die Idee der CP-Invarianz verletzen, die postuliert, dass sich die Gesetze der Physik nicht ändern sollten, wenn wir die Materieteilchen durch Antiteilchen ersetzen (Symmetrie in Bezug auf Ladung) und sie spiegeln (Paritätssymmetrie). Symmetrie gilt für die meisten Partikel, aber nicht für alle. Subatomare Partikel von Quarks verletzen die CP-Symmetrie, aber die Abweichungen sind so gering, dass sie nicht ausreichen, um zu erklären, warum Materie im Universum so viel Vorrang vor Antimaterie hat.

Im vergangenen Jahr gab die T2K-Zusammenarbeit den ersten Beweis dafür bekannt, dass Neutrinos die CP-Invarianz verletzen könnten, was möglicherweise erklären könnte, warum das Universum mit Materie gefüllt ist. "Wenn im Neutrino-Bereich eine Verletzung der CP-Invarianz beobachtet wird, kann dies leicht den Unterschied zwischen Materie und Antimaterie erklären", sagte Adrian Beavan, Spezialist für Teilchenphysik an der Queen Mary University in London.

Forscher suchen nach Verstößen gegen die CP-Invarianz, indem sie den Unterschied im Verhalten von Materie und Antimaterie untersuchen. Im Fall von Neutrinos untersuchen Wissenschaftler mit T2K, wie Neutrinos und Antineutrinos auf dem Weg zum Super-K-Sensor schwingen , dh sich ändern. Im Jahr 2016 wurden auf dem Weg zu Super-K 32 Myonenneutrinos gegen elektronische ausgetauscht. Und als die Forscher Myon-Antineutrinos dorthin schickten, wurden nur vier von ihnen elektronisch.

Die Ergebnisse haben die Community aufgewühlt - obwohl die meisten Physiker nicht versäumten, darauf hinzuweisen, dass bei einer so kleinen Stichprobe eine Wahrscheinlichkeit von 10% bestand, dass dieser Unterschied auf zufällige Schwankungen zurückzuführen war (zum Vergleich: Als das Higgs-Boson 2012 entdeckt wurde, betrug die Wahrscheinlichkeit einer Signalzufälligkeit ein Millionstel).

In diesem Jahr haben Forscher fast doppelt so viele Neutrino-Daten gesammelt wie in der Vergangenheit. Super-K hat 89 Elektronenneutrinos gefangen, und diese Zahl überschreitet bei weitem die Schwelle von 67 Partikeln, die ohne Verletzung der CP-Invarianz hätte auftreten sollen. Das Experiment fand auch nur sieben elektronische Antineutrinos, zwei weniger als erwartet.



Bisher haben Forscher die Entdeckung nicht angekündigt. Aufgrund der nicht so großen Datenmenge besteht „immer noch 1 von 20 Chancen, dass dies eine statistische Abweichung und keine Verletzung der CP-Invarianz ist“, sagt Philip Lichfield, Physiker am Imperial College London. Damit die Ergebnisse wirklich aussagekräftig werden, muss das Experiment 3 von 1000 Chancen erreichen, und die Forscher hoffen, diese Grenze bis Mitte der 2020er Jahre zu überwinden.

Die im letzten Jahr vorgenommenen Datenverbesserungen gehen, wenn auch bescheiden, immer noch "in eine sehr interessante Richtung", sagte Tom Browder, Physiker an der Universität von Hawaii. Hinweise auf neue Physik sind noch nicht verschwunden, wie man es erwarten würde, wenn die Ergebnisse für den Fall abgeschrieben würden. Ebenfalls enthalten sind die Ergebnisse eines anderen Experiments, NOvA, das im Fermi National Accelerator Laboratory in einem Vorort von Chicago durchgeführt wurde. Letztes Jahr veröffentlichte er den ersten Neutrino-Datensatz, und Antineutrino-Ergebnisse werden im nächsten Sommer erwartet. Und obwohl diese ersten Ergebnisse zur Verletzung der CP-Invarianz auch statistisch nicht signifikant sind, wird „die Konsistenz all dieser frühen Hinweise“ sehr faszinierend sein, wenn die Ergebnisse der NOvA- und T2K-Experimente übereinstimmen, sagt Mark Monsieur, Physiker an der Indiana University.

Das geplante Super-K-Detektor-Update könnte die Forschung anregen. Im nächsten Sommer wird zum ersten Mal seit zehn Jahren wieder Wasser aus dem Detektor gepumpt und anschließend mit hochreinem Wasser aufgefüllt. Es wird mit Gadoliniumsulfat gemischt, einem Salz, das die Empfindlichkeit des Geräts gegenüber elektronischen Antineutrinos erheblich erhöhen sollte. "Das Mischen von Gadolinium macht den Nachweis von Elektronen-Antineutrino-Wechselwirkungen zu einer sehr einfachen Aufgabe", sagte Browder. Salz wird Forschern helfen, Antineutrino-Wechselwirkungen von Neutrino-Wechselwirkungen zu trennen, was ihre Fähigkeit verbessert, nach CP-Invarianzverletzungen zu suchen.

"Im Moment sind wir bereit zu argumentieren, dass die CP-Invarianz im Fall eines Neutrinos verletzt wird, aber wir werden nicht überrascht sein, wenn dies nicht der Fall ist", sagte Andre de Guvea, Physiker an der Northeastern University. Vasco ist etwas optimistischer: „Die T2K-Ergebnisse 2017 haben unser Verständnis der Verletzung der CP-Invarianz noch nicht geklärt, aber sie versprechen, die Genauigkeit der Messung in Zukunft zu erhöhen“, sagte er. "Und vielleicht ist die Zukunft nicht so weit weg, wie wir letztes Jahr denken konnten."