นักวิทยาศาสตร์มีความสุขในการสำรวจความลึกลับและความลึกลับที่ยิ่งใหญ่ความกระตือรือร้น มีคำถามมากมายที่ยังไม่ได้ตอบในวิทยาศาสตร์ แต่เมื่อคุณโตมันยากที่จะเอาชนะ "ทำไมจึงมีบางสิ่ง
นั่นอาจดูเหมือนคำถามเชิงปรัชญา แต่เป็นคำถามที่ตอบคำถามทางวิทยาศาสตร์ได้มาก ระบุเป็นรูปธรรมเล็กน้อย "ทำไมจักรวาลจึงสร้างจากสสารชนิดต่าง ๆ ที่ทำให้ชีวิตมนุษย์เป็นไปได้เพื่อที่เราจะได้ถามคำถามนี้" นักวิทยาศาสตร์ที่ทำการวิจัยในประเทศญี่ปุ่นได้ประกาศการวัดเมื่อเดือนที่แล้วที่อยู่ตรงที่น่าสนใจที่สุดของการสอบถาม ปรากฏว่าการวัดของพวกเขาไม่เห็นด้วยกับความคาดหวังที่ง่ายที่สุดของทฤษฎีปัจจุบันและสามารถชี้ไปที่คำตอบของคำถามที่ไม่มีเวลานี้ได้ดี
การวัดของพวกเขาดูเหมือนจะบอกว่าสำหรับอนุภาคเซตย่อยโดยเฉพาะสสารและปฏิสสารทำหน้าที่แตกต่างกัน
Matter v. Antimatter
ด้วยการใช้คันเร่ง J-PARC ซึ่งตั้งอยู่ในเมืองโตไกประเทศญี่ปุ่นนักวิทยาศาสตร์ได้ยิงลำอนุภาคอนุภาคขนาดเล็กที่เรียกว่านิวตริโนและคู่ปฏิสสารของพวกมัน (antineutrinos) ผ่านโลกไปยังการทดลองซูเปอร์คามิโอกัน การทดลองนี้เรียกว่า T2K (Tokai to Kamiokande) ได้รับการออกแบบมาเพื่อกำหนดว่าทำไมจักรวาลของเราจึงมีสสาร พฤติกรรมที่แปลกประหลาดที่แสดงออกโดยนิวตริโนซึ่งเรียกว่าการสั่นแบบนิวตริโนอาจทำให้เข้าใจถึงปัญหาที่น่ารำคาญนี้
การถามว่าทำไมจักรวาลถึงเกิดจากสสารอาจดูเหมือนคำถามแปลก ๆ แต่มีเหตุผลที่ดีมากที่นักวิทยาศาสตร์ประหลาดใจกับสิ่งนี้ เป็นเพราะนอกเหนือจากการรู้ว่ามีสสารแล้วนักวิทยาศาสตร์ยังรู้จักปฏิสสาร
ในปี 1928 Paul Dirac นักฟิสิกส์ชาวอังกฤษเสนอการมีอยู่ของปฏิสสาร - เป็นพี่น้องกันของสสาร รวมปริมาณสสารและปฏิสสารเท่ากันและทั้งสองทำลายซึ่งกันและกันทำให้เกิดการปลดปล่อยพลังงานจำนวนมหาศาล และเนื่องจากหลักการฟิสิกส์มักจะทำงานได้ดีในทางกลับกันหากคุณมีปริมาณพลังงานมหาศาลมันสามารถเปลี่ยนเป็นสสารและปฏิสสารในปริมาณที่เท่ากัน ปฏิสสารถูกค้นพบในปี 1932 โดย American Carl Anderson และนักวิจัยมีเกือบหนึ่งศตวรรษในการศึกษาคุณสมบัติของมัน
อย่างไรก็ตามวลี "เป็นจำนวนที่เท่ากันทั้งหมด" นั้นเป็นจุดเริ่มต้นของปริศนา ในช่วงเวลาสั้น ๆ หลังจากบิ๊กแบงจักรวาลเต็มไปด้วยพลังงาน เมื่อมันขยายตัวและทำให้เย็นลงพลังงานนั้นควรจะเปลี่ยนเป็นสสารที่มีขนาดเท่ากันและอนุภาคของอนุภาคที่มีปฏิสสารที่จะสังเกตได้ในปัจจุบัน และจักรวาลของเราก็ประกอบไปด้วยสสารทั้งหมด นั่นเป็นอย่างไร
โดยการนับจำนวนอะตอมในจักรวาลและเปรียบเทียบกับปริมาณพลังงานที่เราเห็นนักวิทยาศาสตร์ระบุว่า "เท่าเทียมกัน" ไม่ถูกต้องนัก อย่างไรก็ตามเมื่อเอกภพมีอายุประมาณหนึ่งในสิบของล้านล้านในยุคที่สองกฎแห่งธรรมชาติก็บิดเบือนไปในทิศทางของสสารเล็กน้อย สำหรับอนุภาคแอนทายแมทเทอร์ 3,000,000,000 ชิ้นมีอนุภาคสสาร 3,000,000,001 อนุภาค อนุภาคสสาร 3 พันล้านอนุภาคและอนุภาคแอนทายแมทเทอร์ 3 พันล้านตัวรวมกัน - และทำลายล้างให้กลับเป็นพลังงานปล่อยให้สิ่งเล็กน้อยเกินกว่าจะเป็นเอกภพที่เราเห็นในปัจจุบัน
เนื่องจากปริศนานี้เป็นที่เข้าใจกันมาเกือบหนึ่งศตวรรษแล้วนักวิจัยได้ศึกษาสสารและปฏิสสารเพื่อดูว่าพวกเขาสามารถค้นหาพฤติกรรมในอนุภาคของอะตอมที่จะอธิบายส่วนเกินของสสารได้หรือไม่ พวกเขามีความมั่นใจว่าสสารและปฏิสสารทำในปริมาณเท่ากัน แต่พวกเขายังได้สังเกตเห็นว่าอนุภาคของอะตอมระดับหนึ่งเรียกว่าควาร์กแสดงพฤติกรรมที่ชอบสสารมากกว่าปฏิสสาร การวัดพิเศษนั้นบอบบางโดยเกี่ยวข้องกับชั้นของอนุภาคที่เรียกว่า K mesons ซึ่งสามารถเปลี่ยนจากสสารเป็นปฏิสสารและกลับมาอีกครั้ง แต่มีความแตกต่างเล็กน้อยในเรื่องการเปลี่ยนเป็นปฏิสสารเมื่อเทียบกับสิ่งที่ตรงกันข้าม ปรากฏการณ์นี้ไม่คาดคิดและการค้นพบนำไปสู่รางวัลโนเบลปี 1980 แต่ขนาดของเอฟเฟกต์ไม่เพียงพอที่จะอธิบายว่าทำไมสสารถึงครอบงำในจักรวาลของเรา
ลำแสงผี
ดังนั้นนักวิทยาศาสตร์จึงหันความสนใจไปที่นิวตริโนเพื่อดูว่าพฤติกรรมของพวกเขาสามารถอธิบายสิ่งที่เกินมาได้หรือไม่ นิวตริโนเป็นผีของโลกแห่งอะตอม การโต้ตอบผ่านพลังนิวเคลียร์ที่อ่อนแอเท่านั้นพวกมันสามารถผ่านสสารได้โดยไม่ต้องมีปฏิสัมพันธ์เลยแม้แต่น้อย เพื่อให้เกิดความรู้สึกถึงระดับนิวตริโนส่วนใหญ่ถูกสร้างขึ้นในปฏิกิริยานิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ที่ใหญ่ที่สุดคือดวงอาทิตย์ เพื่อป้องกันตัวเองจากครึ่งหนึ่งของนิวตริโนโซลาร์จะต้องใช้มวลตะกั่วที่แข็งประมาณ 5 ปีแสงในเชิงลึก นิวตริโน่ไม่ได้โต้ตอบกันมากนัก
ระหว่างปีค. ศ. 1998 และ 2001 ชุดของการทดลอง - แบบหนึ่งโดยใช้เครื่องตรวจจับ Super Kamiokande และอีกเครื่องที่ใช้ตัวตรวจจับ SNO ใน Sudbury รัฐออนแทรีโอ - พิสูจน์แล้วว่านิวตริโนนั้นมีพฤติกรรมที่น่าแปลกใจอีกอย่าง พวกเขาเปลี่ยนเอกลักษณ์ของพวกเขา
นักฟิสิกส์ทราบว่านิวตริโนสามชนิดที่แตกต่างกันซึ่งแต่ละอันเกี่ยวข้องกับพี่น้องในอะตอมที่เรียกว่าอิเลคตรอนมิวออนและ taus อิเล็กตรอนเป็นสิ่งที่ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าและอนุภาค muon และ tau นั้นคล้ายกับอิเล็กตรอนมาก แต่ก็หนักกว่าและไม่เสถียร
นิวตริโนสามชนิดเรียกว่าอิเล็กตรอนนิวตริโนมิวออนนิวตริโนและเอกภาพนิวตริโนเอกภาพสามารถ "แปรเปลี่ยน" ให้กลายเป็นนิวตริโนชนิดอื่นและกลับมาอีกครั้ง พฤติกรรมนี้เรียกว่าการสั่นแบบนิวตริโน
การสั่นของนิวตริโนเป็นปรากฏการณ์ควอนตัมที่ไม่เหมือนใคร แต่ก็คล้าย ๆ กับการเริ่มต้นด้วยไอศครีมวานิลลาชามหนึ่งและหลังจากที่คุณไปหาช้อนคุณกลับมาพบว่าชามนั้นเป็นครึ่งวานิลลาและช็อคโกแลตครึ่ง Neutrinos เปลี่ยนอัตลักษณ์ของพวกเขาจากการเป็นประเภทเดียวทั้งหมดไปเป็นประเภทผสมเป็นประเภทที่แตกต่างอย่างสิ้นเชิงแล้วกลับไปเป็นประเภทเดิม
Antineutrino oscillations
นิวตริโนเป็นอนุภาคสสาร แต่แอนทายแมทเทอร์เรียกว่าแอนติโนตริโน และนั่นนำไปสู่คำถามที่สำคัญมาก นิวตริโนส่าย แต่ทำ antineutrinos ยังส่ายและพวกเขาส่ายไปในทางเดียวกันกับนิวตริโน? คำตอบสำหรับคำถามแรกคือใช่ในขณะที่ไม่รู้คำตอบของคำถามที่สอง
ลองพิจารณาเรื่องนี้ให้ละเอียดกว่านี้เล็กน้อย แต่ในวิธีที่ง่ายกว่า: สมมติว่ามีนิวตริโนเพียงสองประเภทคือมิวออนและอิเล็กตรอน สมมติว่าคุณมีลำแสงนิวตริโนประเภท muon หมดจด นิวตริโนส่ายด้วยความเร็วที่เฉพาะเจาะจงและเนื่องจากพวกมันเคลื่อนที่เข้าใกล้ความเร็วแสงพวกเขาจะแกว่งเป็นฟังก์ชันของระยะทางจากที่ซึ่งพวกมันถูกสร้างขึ้น ดังนั้นลำแสงของนิวตริโน muon บริสุทธิ์จะมีลักษณะเหมือนการรวมกันของ muon และอิเล็กตรอนในบางระยะจากนั้นก็ให้อิเล็กตรอนบริสุทธิ์ในระยะไกลและกลับไปที่ muon เท่านั้น ปฏิสสารนิวตริโนทำในสิ่งเดียวกัน
อย่างไรก็ตามถ้าสสารและปฏิสสารนิวตรอนแกว่งไปมาในอัตราที่แตกต่างกันเล็กน้อยคุณคาดหวังว่าถ้าคุณอยู่ห่างจากจุดที่ลำแสงของ muon neutrinos บริสุทธิ์หรือ muon antineutrinos เกิดขึ้นในกรณีที่คุณเห็น หนึ่งการผสมผสานของ muon และอิเล็กตรอนนิวตริโน แต่ในกรณีของปฏิสสารนิวตริโนคุณจะเห็นการผสมผสานที่แตกต่างกันของมอร์ฟีน muon และอิเล็กตรอนนิวตริโน สถานการณ์ที่เกิดขึ้นจริงนั้นซับซ้อนโดยความจริงที่ว่ามีนิวตริโนสามชนิดและการแกว่งขึ้นอยู่กับพลังงานของลำแสง แต่สิ่งเหล่านี้เป็นแนวคิดที่ยิ่งใหญ่
การสังเกตความถี่การสั่นที่แตกต่างกันโดยนิวตริโนและแอนตินิวตริโนจะเป็นขั้นตอนสำคัญในการทำความเข้าใจความจริงที่ว่าจักรวาลทำจากสสาร ไม่ใช่เรื่องทั้งหมดเพราะต้องมีปรากฏการณ์ใหม่เพิ่มเติม แต่ความแตกต่างระหว่างสสารและปฏิสสารนิวตริโนจำเป็นต้องอธิบายว่าทำไมจึงมีสสารในจักรวาลมากขึ้น
ในทฤษฎีที่แพร่หลายในปัจจุบันที่อธิบายการโต้ตอบของนิวตริโนมีตัวแปรที่ไวต่อความเป็นไปได้ที่นิวตริโนและแอนตินิวตริโนจะแกว่งไปมาแตกต่างกัน หากตัวแปรนั้นเป็นศูนย์อนุภาคทั้งสองชนิดจะแกว่งในอัตราเท่ากัน หากตัวแปรนั้นแตกต่างจากศูนย์อนุภาคทั้งสองชนิดจะแกว่งไปมาต่างกัน
เมื่อ T2K วัดตัวแปรนี้พวกเขาพบว่ามันไม่สอดคล้องกับสมมติฐานที่ว่านิวตริโนและแอนตินิวตริโนส่ายเหมือนกัน เทคนิคเพิ่มเติมอีกเล็กน้อยพวกเขากำหนดช่วงของค่าที่เป็นไปได้สำหรับตัวแปรนี้ มีโอกาส 95 เปอร์เซ็นต์ที่ค่าจริงสำหรับตัวแปรนั้นอยู่ในช่วงนั้นและมีโอกาสเพียง 5 เปอร์เซ็นต์ที่ตัวแปรจริงอยู่นอกช่วงนั้น สมมติฐาน "ไม่แตกต่าง" อยู่นอกช่วงร้อยละ 95
ในแง่ที่ง่ายกว่าการวัดในปัจจุบันแสดงให้เห็นว่านิวตริโนและแอนทายแมทเทอร์นิวตริโนแกว่งไปมาแตกต่างกันแม้ว่าความเชื่อมั่นจะไม่เพิ่มขึ้นจนถึงระดับที่จะเรียกร้องได้ ในความเป็นจริงนักวิจารณ์ชี้ให้เห็นว่าการวัดที่มีนัยสำคัญทางสถิติในระดับนี้ควรถูกมองอย่างน่าสงสัยมาก แต่มันเป็นผลเริ่มต้นที่เร้าใจอย่างมากและชุมชนวิทยาศาสตร์ของโลกมีความสนใจอย่างมากในการศึกษาที่ดีขึ้นและแม่นยำยิ่งขึ้น
การทดสอบ T2K จะยังคงบันทึกข้อมูลเพิ่มเติมด้วยความหวังว่าจะทำการวัดที่แน่นอน แต่ไม่ใช่เกมเดียวในเมือง ที่ Fermilab ซึ่งตั้งอยู่นอกเมืองชิคาโกการทดลองแบบเดียวกันที่เรียกว่า NOVA กำลังถ่ายทำทั้งนิวตริโนและแอนทายแมทเทอร์ไปทางตอนเหนือของมินนิโซตา และเมื่อมองไปในอนาคต Fermilab กำลังทำงานอย่างหนักกับสิ่งที่จะเป็นการทดสอบเรือธงที่เรียกว่า DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) ซึ่งจะมีความสามารถที่เหนือกว่าเพื่อศึกษาปรากฏการณ์ที่สำคัญนี้
ในขณะที่ผลลัพธ์ T2K ไม่ชัดเจนและรับประกันอย่างระมัดระวัง แต่ก็ยั่วเย้าอย่างแน่นอน ด้วยคำถามมากมายว่าทำไมจักรวาลของเราถึงไม่มีปฏิสสารที่เห็นได้ชัดชุมชนวิทยาศาสตร์ของโลกจะรอคอยการอัปเดตเพิ่มเติม
