Het standaardmodel van de deeltjesfysica is het belangrijkste middel om uit te leggen wat de basisbouwstenen van materie zijn en hoe ze met elkaar omgaan gedurende tientallen jaren. Het model, voor het eerst voorgesteld in de jaren zeventig, beweert dat er voor elk gemaakt deeltje een anti-deeltje is. Als zodanig is een blijvend mysterie van dit model waarom het heelal kan bestaan als het theoretisch bestaat uit gelijke delen materie en antimaterie.
Deze schijnbare ongelijkheid, bekend als de charge-parity (CP) -schending, wordt al jarenlang geëxperimenteerd. Maar tot nu toe is er geen definitieve demonstratie gegeven voor deze overtreding, of hoeveel materie er in het universum kan bestaan zonder zijn tegenhanger. Maar dankzij nieuwe bevindingen van de internationale Tokai-to-Kamioka (T2K) -samenwerking zijn we misschien een stap dichterbij het begrijpen waarom dit verschil bestaat.
Voor het eerst waargenomen in 1964, stelt CP-schending dat onder bepaalde voorwaarden de wetten van lading-symmetrie en pariteit-symmetrie (ook bekend als CP-symmetrie) niet van toepassing zijn. Deze wetten stellen dat de fysica die een deeltje regelt hetzelfde zou zijn als het zou worden verwisseld met zijn antideeltje, terwijl de ruimtelijke coördinaten zouden worden omgekeerd. Uit deze waarneming kwam een van de grootste kosmologische mysteries naar voren.
Als de wetten die materie en antimaterie beheersen dezelfde zijn, waarom is het universum dan zo door materie gedomineerd? Als alternatief, als materie en antimaterie fundamenteel verschillend zijn, hoe stemt dit dan overeen met onze noties van symmetrie? Het beantwoorden van deze vragen is niet alleen belangrijk voor zover onze overheersende kosmologische theorieën gaan, ze zijn ook intrinsiek om te begrijpen hoe de zwakke interacties die deeltjes regelen, werken.
De internationale T2K-samenwerking, opgericht in juni 2011, is het eerste experiment ter wereld dat erop is gericht dit mysterie te beantwoorden door neutrino- en anti-neutrino-oscillaties te bestuderen. Het experiment begint met hoogintensieve bundels muon-neutrino's (of muon-anti-neutrino's) die worden gegenereerd in het Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), die vervolgens worden afgevuurd op de Super-Kamiokande-detector op 295 km afstand.
Deze detector is momenteel een van de grootste en meest geavanceerde ter wereld, gewijd aan de detectie en studie van zonne- en atmosferische neutrino's. Terwijl neutrino's tussen de twee faciliteiten reizen, veranderen ze van "smaak" - gaande van muon-neutrino's of anti-neutrino's tot elektronen-neutrino's of anti-neutrino's. Bij het monitoren van deze neutrino- en anti-neutrino-stralen let het experiment op verschillende oscillatiesnelheden.
Dit verschil in oscillatie zou aantonen dat er een onevenwicht is tussen deeltjes en antideeltjes, en zou dus voor het eerst het eerste definitieve bewijs leveren van CP-schending. Het zou ook aangeven dat wetenschappers buiten het standaardmodel fysica hebben die wetenschappers nog moeten onderzoeken. Afgelopen april werd de eerste door T2K geproduceerde dataset uitgebracht, die enkele veelzeggende resultaten opleverde.
Mark Hartz, een T2K-medewerker en de Kavli IPMU Project Assistant Professor, zei in een recent persbericht:
"Hoewel de datasets nog te klein zijn om een sluitende verklaring af te leggen, hebben we een zwakke voorkeur gezien voor grote CP-schendingen en we zijn verheugd om door te gaan met het verzamelen van gegevens en een meer gevoelige zoektocht naar CP-schending te doen."
Deze resultaten, die onlangs zijn gepubliceerd in de Fysieke beoordelingsbrieven, omvatten alle dataruns van januari 2010 tot mei 2016. In totaal gaat het om 7,482 x 1020 protonen (in neutrino-modus), die 32 elektronenneutrino en 135 muonneutrino-gebeurtenissen opleverden, en 7,471 x 1020 protonen (in antineutrino-modus), die 4 elektronen anti-neutrino en 66 muon neutrino-gebeurtenissen opleverden.
Met andere woorden, de eerste batch gegevens heeft enig bewijs geleverd voor CP-schending en met een betrouwbaarheidsinterval van 90%. Maar dit is nog maar het begin en het experiment zal naar verwachting nog tien jaar duren voordat het wordt afgerond. "Als we geluk hebben en het effect van CP-schending groot is, kunnen we tegen 2026 3 sigma-bewijzen verwachten, of een betrouwbaarheidsniveau van ongeveer 99,7%," zei Hartz.
Als het experiment succesvol blijkt te zijn, kunnen natuurkundigen misschien eindelijk antwoorden hoe het is dat het vroege heelal zichzelf niet vernietigde. Het zal waarschijnlijk ook helpen om aspecten van het heelal te onthullen waar deeltjesfysici graag in willen komen! Hiervoor zullen de antwoorden op de diepste geheimen van het heelal, zoals hoe al zijn fundamentele krachten bij elkaar passen, waarschijnlijk worden gevonden.
