Το πρότυπο μοντέλο της φυσικής των σωματιδίων υπήρξε το κυρίαρχο μέσο για να εξηγήσει ποια είναι τα βασικά δομικά στοιχεία της ύλης και πώς αλληλεπιδρούν εδώ και δεκαετίες. Για πρώτη φορά που προτάθηκε στη δεκαετία του 1970, το μοντέλο ισχυρίζεται ότι για κάθε σωματίδιο που δημιουργείται, υπάρχει ένα αντι-σωματίδιο. Ως εκ τούτου, ένα διαρκές μυστήριο που θέτει αυτό το μοντέλο είναι γιατί το Σύμπαν μπορεί να υπάρχει αν θεωρητικά αποτελείται από ίσα μέρη της ύλης και της αντιύλης.
Αυτή η φαινομενική ανισότητα, γνωστή ως παραβίαση χρέωσης ισοτιμίας (CP), αποτελεί αντικείμενο πειραμάτων εδώ και πολλά χρόνια. Αλλά μέχρι στιγμής, δεν έχει γίνει οριστική επίδειξη για αυτήν την παραβίαση, ή πόση ύλη μπορεί να υπάρξει στο Σύμπαν χωρίς το αντίστοιχο του. Αλλά χάρη στα νέα ευρήματα που κυκλοφόρησε από τη διεθνή συνεργασία Tokai-to-Kamioka (T2K), μπορεί να είμαστε ένα βήμα πιο κοντά στην κατανόηση γιατί υπάρχει αυτή η ανισότητα.
Παρατηρήθηκε για πρώτη φορά το 1964, η παραβίαση CP προτείνει ότι υπό ορισμένες προϋποθέσεις, δεν ισχύουν οι νόμοι της συμμετρίας φόρτισης και της συμμετρίας ισοτιμίας (γνωστός και ως CP-συμμετρία). Αυτοί οι νόμοι δηλώνουν ότι η φυσική που διέπει ένα σωματίδιο θα πρέπει να είναι η ίδια αν ήταν εναλλάξιμο με το αντισωματίδιο του, ενώ οι χωρικές συντεταγμένες του θα αντιστραφούν. Από αυτήν την παρατήρηση, προέκυψε ένα από τα μεγαλύτερα κοσμολογικά μυστήρια.
Εάν οι νόμοι που διέπουν την ύλη και την αντιύλη είναι οι ίδιοι, τότε γιατί το Σύμπαν κυριαρχείται τόσο από την ύλη; Εναλλακτικά, εάν η ύλη και η αντιύλη είναι θεμελιωδώς διαφορετικά, πώς συμβαίνει αυτό με τις έννοιες της συμμετρίας μας; Η απάντηση σε αυτές τις ερωτήσεις δεν είναι μόνο σημαντική όσο πηγαίνουν οι κυρίαρχες κοσμολογικές θεωρίες μας, αλλά είναι επίσης εγγενείς στην κατανόηση του πώς λειτουργούν οι αδύναμες αλληλεπιδράσεις που διέπουν τα σωματίδια.
Ιδρύθηκε τον Ιούνιο του 2011, η διεθνής συνεργασία T2K είναι το πρώτο πείραμα στον κόσμο αφιερωμένο στην απάντηση σε αυτό το μυστήριο μελετώντας ταλαντώσεις νετρίνων και αντι-νετρίνων. Το πείραμα ξεκινά με ακτίνες υψηλής έντασης των νετρονίων muon (ή muon anti-neutrinos) που δημιουργούνται στο Ιαπωνικό Συγκρότημα Έρευνας Επιταχυντή Proton (J-PARC), τα οποία στη συνέχεια πυροδοτούνται προς τον ανιχνευτή Super-Kamiokande που βρίσκεται 295 χλμ.
Αυτός ο ανιχνευτής είναι σήμερα ένας από τους μεγαλύτερους και πιο εξελιγμένους στον κόσμο, αφιερωμένος στην ανίχνευση και μελέτη των ηλιακών και ατμοσφαιρικών νετρίνων. Καθώς τα νετρίνα ταξιδεύουν μεταξύ των δύο εγκαταστάσεων, αλλάζουν «γεύση» - πηγαίνοντας από νετρίνα μιόντων ή αντι-νετρίνα σε νετρίνα ηλεκτρονίων ή αντι-νετρίνα. Κατά την παρακολούθηση αυτών των δεσμών νετρίνων και αντι-νετρίνων, το πείραμα παρακολουθεί διαφορετικούς ρυθμούς ταλάντωσης.
Αυτή η διαφορά στην ταλάντωση θα έδειχνε ότι υπάρχει ανισορροπία μεταξύ σωματιδίων και αντισωματιδίων, και έτσι παρέχει την πρώτη οριστική απόδειξη παραβίασης CP για πρώτη φορά. Θα δείξει επίσης ότι υπάρχει φυσική πέρα από το πρότυπο μοντέλο που οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη διερευνήσει. Τον περασμένο Απρίλιο, κυκλοφόρησε το πρώτο σύνολο δεδομένων που παρήγαγε η T2K, το οποίο παρείχε κάποια πειστικά αποτελέσματα.
Όπως δήλωσε ο Mark Hartz, συνεργάτης του T2K και επίκουρος καθηγητής του έργου Kavli IPMU, σε πρόσφατο δελτίο τύπου:
"Ενώ τα σύνολα δεδομένων είναι ακόμα πολύ μικρά για να κάνουμε μια οριστική δήλωση, έχουμε δει μια αδύναμη προτίμηση για παραβίαση CP και είμαστε ενθουσιασμένοι που συνεχίζουμε να συλλέγουμε δεδομένα και να κάνουμε μια πιο ευαίσθητη αναζήτηση για παραβίαση CP."
Αυτά τα αποτελέσματα, τα οποία δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Γράμματα φυσικής αναθεώρησης, περιλαμβάνει όλα τα δεδομένα που εκτελούνται από τον Ιανουάριο του 2010 έως τον Μάιο του 2016. Συνολικά, αυτά τα δεδομένα περιλάμβαναν 7,448 x 1020 πρωτόνια (σε λειτουργία νετρίνου), τα οποία απέδωσαν 32 ηλεκτρόνια νετρίνο και 135 μιόνια νετρίνο συμβάντα, και 7,471 × 1020 πρωτόνια (σε λειτουργία antineutrino), τα οποία απέδωσαν 4 ηλεκτρόνια αντι-νετρίνο και 66 μιόνια νετρίνο.
Με άλλα λόγια, η πρώτη παρτίδα δεδομένων παρείχε κάποια στοιχεία για παραβίαση CP, και με ένα διάστημα εμπιστοσύνης 90%. Αλλά αυτή είναι μόνο η αρχή και το πείραμα αναμένεται να ολοκληρωθεί για άλλα δέκα χρόνια πριν ολοκληρωθεί. «Αν είμαστε τυχεροί και το αποτέλεσμα της παραβίασης της CP είναι μεγάλο, ενδέχεται να περιμένουμε 3 στοιχεία για το sigma, ή περίπου το επίπεδο εμπιστοσύνης 99,7%, για παραβίαση της CP έως το 2026», δήλωσε ο Hartz.
Εάν το πείραμα αποδειχθεί επιτυχές, οι φυσικοί μπορεί τελικά να είναι σε θέση να απαντήσουν πώς είναι ότι το πρώιμο Σύμπαν δεν εξαφανίστηκε. Είναι επίσης πιθανό να βοηθήσει στην αποκάλυψη πτυχών του Σύμπαντος που οι φυσικοί σωματιδίων θέλουν να μπει! Εδώ είναι πιθανό να βρεθούν οι απαντήσεις στα βαθύτερα μυστικά του Σύμπαντος, όπως το πώς συνδυάζονται όλες οι θεμελιώδεις δυνάμεις του.
