Wetenschappers genieten van het verkennen van mysteries, en hoe groter het mysterie, hoe groter het enthousiasme. Er zijn veel grote onbeantwoorde vragen in de wetenschap, maar als je groot wordt, is het moeilijk te verslaan: 'Waarom is er iets in plaats van niets?'
Dat lijkt misschien een filosofische vraag, maar het is er een die zeer vatbaar is voor wetenschappelijk onderzoek. Iets concreter gezegd: "Waarom is het universum gemaakt van de soorten materie die het menselijk leven mogelijk maken, zodat we deze vraag zelfs kunnen stellen?" Wetenschappers die in Japan onderzoek hebben gedaan, hebben vorige maand een meting aangekondigd die rechtstreeks betrekking heeft op de meest fascinerende vragen. Het lijkt erop dat hun meting het niet eens is met de eenvoudigste verwachtingen van de huidige theorie en zou kunnen wijzen op een antwoord op deze tijdloze vraag.
Hun meting lijkt te zeggen dat materie en antimaterie voor een bepaalde set subatomaire deeltjes anders werken.
Materie versus antimaterie
Met behulp van de J-PARC-versneller in Tokai, Japan, schoten wetenschappers een straal van spookachtige subatomaire deeltjes, neutrino's genaamd, en hun antimaterie-tegenhangers (antineutrino's) door de aarde naar het Super Kamiokande-experiment, gelegen in Kamioka, ook in Japan. Dit experiment, genaamd T2K (Tokai to Kamiokande), is ontworpen om te bepalen waarom ons universum van materie is gemaakt. Een eigenaardig gedrag van neutrino's, neutrino-oscillatie genaamd, zou enig licht kunnen werpen op dit zeer ergerlijke probleem.
Vragen waarom het universum uit materie bestaat, klinkt misschien als een bijzondere vraag, maar wetenschappers hebben daar een goede reden voor. Het is omdat wetenschappers niet alleen weten dat materie bestaat, maar ook antimaterie kennen.
In 1928 stelde de Britse natuurkundige Paul Dirac het bestaan van antimaterie voor - een antagonistisch broertje van materie. Combineer gelijke hoeveelheden materie en antimaterie en de twee vernietigen elkaar, waardoor een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. En omdat natuurkundige principes gewoonlijk even goed omgekeerd werken, kan het, als je een enorme hoeveelheid energie hebt, in precies dezelfde hoeveelheden materie en antimaterie worden omgezet. Antimatter werd in 1932 ontdekt door de Amerikaan Carl Anderson en onderzoekers hebben bijna een eeuw de tijd gehad om de eigenschappen ervan te bestuderen.
Die uitdrukking "in exact gelijke hoeveelheden" is echter de kern van het raadsel. In de korte ogenblikken direct na de oerknal was het universum vol energie. Terwijl het zich uitbreidde en afkoelde, zou die energie in gelijke delen materie en antimaterie subatomaire deeltjes moeten zijn omgezet, wat vandaag waarneembaar zou moeten zijn. En toch bestaat ons universum in wezen volledig uit materie. Hoe kan dat zijn?
Door het aantal atomen in het heelal te tellen en dat te vergelijken met de hoeveelheid energie die we zien, hebben wetenschappers vastgesteld dat "precies gelijk" niet helemaal juist is. Op de een of andere manier, toen het universum ongeveer een tiende van een triljoenste van een seconde oud was, scheef de natuurwetten zo lichtjes in de richting van de materie. Voor elke 3.000.000.000 antimateriedeeltjes waren er 3.000.000.001 materiedeeltjes. De 3 miljard materiedeeltjes en 3 miljard antimateriedeeltjes gecombineerd - en vernietigd terug in energie, laten het kleine overschot aan materie achter om het universum te vormen dat we vandaag zien.
Sinds deze puzzel bijna een eeuw geleden werd begrepen, hebben onderzoekers materie en antimaterie bestudeerd om te zien of ze gedrag konden vinden in subatomaire deeltjes die de overmaat aan materie zouden verklaren. Ze hebben er vertrouwen in dat materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden worden gemaakt, maar ze hebben ook opgemerkt dat een klasse van subatomaire deeltjes, quarks genaamd, gedrag vertoont dat materie enigszins ten goede komt aan antimaterie. Die specifieke meting was subtiel en omvatte een klasse van deeltjes genaamd K-mesonen die van materie naar antimaterie kunnen converteren en weer terug. Maar er is een klein verschil in materie die wordt omgezet in antimaterie in vergelijking met het omgekeerde. Dit fenomeen was onverwacht en de ontdekking ervan leidde tot de Nobelprijs van 1980, maar de omvang van het effect was niet voldoende om uit te leggen waarom materie in ons universum domineert.
Spookachtige stralen
Daarom hebben wetenschappers hun aandacht gericht op neutrino's om te zien of hun gedrag de overtollige materie kan verklaren. Neutrino's zijn de geesten van de subatomaire wereld. Omdat ze alleen via de zwakke kernkracht in wisselwerking staan, kunnen ze door de materie heen gaan zonder dat ze zelfs maar iets met elkaar te maken hebben. Om een gevoel van schaal te geven, worden neutrino's het meest gecreëerd in kernreacties en de grootste kernreactor die er is, is de zon. Om zichzelf af te schermen van de helft van de zonne-neutrino's zou een massa massief lood ongeveer 5 lichtjaar diep moeten zijn. Neutrino's hebben echt niet veel interactie.
Tussen 1998 en 2001 hebben een reeks experimenten - een met de Super Kamiokande-detector en een met de SNO-detector in Sudbury, Ontario - definitief bewezen dat neutrino's ook een ander verrassend gedrag vertonen. Ze veranderen hun identiteit.
Natuurkundigen kennen drie verschillende soorten neutrino's, elk geassocieerd met een unieke subatomaire broer of zus, elektronen, muonen en taus genaamd. Elektronen zijn de oorzaak van elektriciteit en het muon- en tau-deeltje lijken veel op elektronen, maar zijn zwaarder en onstabiel.
De drie soorten neutrino's, de elektron-neutrino, muon-neutrino en tau-neutrino genoemd, kunnen "veranderen" in andere soorten neutrino's en weer terug. Dit gedrag wordt neutrino-oscillatie genoemd.
Neutrino-oscillatie is een uniek kwantumfenomeen, maar het is ongeveer analoog aan het beginnen met een kom vanille-ijs en nadat je een lepel hebt gevonden, kom je terug om te ontdekken dat de kom half vanille en half chocolade is. Neutrino's veranderen hun identiteit van volledig één type, naar een mix van typen, naar een heel ander type en vervolgens terug naar het oorspronkelijke type.
Antineutrino-oscillaties
Neutrino's zijn materiedeeltjes, maar er bestaan ook antimaterie-neutrino's, antineutrino's genaamd. En dat leidt tot een heel belangrijke vraag. Neutrino's oscilleren, maar oscilleren antineutrino's ook en oscilleren ze op precies dezelfde manier als neutrino's? Het antwoord op de eerste vraag is ja, terwijl het antwoord op de tweede niet bekend is.
Laten we dit wat vollediger beschouwen, maar op een vereenvoudigde manier: stel dat er slechts twee neutrinotypen waren: muon en elektron. Stel verder dat u een bundel van puur muon-type neutrino's had. Neutrino's oscilleren met een specifieke snelheid en omdat ze dichtbij de snelheid van het licht bewegen, oscilleren ze als een functie van de afstand vanaf waar ze zijn gemaakt. Zo zal een bundel van pure muon-neutrino's er op enige afstand uitzien als een mix van muon- en elektronentypes, vervolgens puur elektronentypes op een andere afstand en dan weer terug naar alleen muon. Antimaterie-neutrino's doen hetzelfde.
Als materie en antimaterie neutrino's echter met iets verschillende snelheden oscilleren, zou je verwachten dat als je een vaste afstand zou hebben van het punt waar een bundel pure muon neutrino's of muon antineutrino's werd gecreëerd, je in het geval van neutrino's zou zien één mengsel van muon en elektronenneutrino's, maar in het geval van antimaterie-neutrino's zou je een ander mengsel zien van antimaterie-muon en elektronenneutrino's. De feitelijke situatie wordt gecompliceerd door het feit dat er drie soorten neutrino's zijn en de oscillatie afhankelijk is van bundelenergie, maar dit zijn de grote ideeën.
De waarneming van verschillende oscillatiefrequenties door neutrino's en antineutrino's zou een belangrijke stap zijn om te begrijpen dat het universum uit materie bestaat. Het is niet het hele verhaal, omdat er ook nieuwe fenomenen moeten zijn, maar het verschil tussen materie en antimaterie neutrino's is nodig om uit te leggen waarom er meer materie in het universum is.
In de huidige heersende theorie die neutrino-interacties beschrijft, is er een variabele die gevoelig is voor de mogelijkheid dat neutrino's en antineutrino's anders oscilleren. Als die variabele nul is, oscilleren de twee soorten deeltjes met identieke snelheden; als die variabele van nul verschilt, oscilleren de twee deeltjessoorten anders.
Toen T2K deze variabele mat, ontdekten ze dat deze niet in overeenstemming was met de hypothese dat neutrino's en antineutrino's identiek oscilleren. Iets technischer bepaalden ze een reeks mogelijke waarden voor deze variabele. Er is een kans van 95 procent dat de werkelijke waarde voor die variabele binnen dat bereik valt en slechts een kans van 5 procent dat de echte variabele buiten dat bereik valt. De hypothese "geen verschil" valt buiten het bereik van 95 procent.
Eenvoudiger gezegd suggereert de huidige meting dat neutrino's en antimaterie-neutrino's anders oscilleren, hoewel de zekerheid niet op het niveau stijgt om een definitieve claim te doen. Critici wijzen er zelfs op dat metingen met dit niveau van statistische significantie heel, heel sceptisch moeten worden bekeken. Maar het is zeker een enorm provocerend eerste resultaat, en de wetenschappelijke gemeenschap in de wereld is buitengewoon geïnteresseerd in verbeterde en nauwkeurigere studies.
Het T2K-experiment zal doorgaan met het vastleggen van aanvullende gegevens in de hoop een definitieve meting te kunnen doen, maar het is niet het enige spel in de stad. In Fermilab, gelegen buiten Chicago, schiet een soortgelijk experiment genaamd NOVA zowel neutrino's als antimaterie-neutrino's naar het noorden van Minnesota, in de hoop T2K tot het uiterste te verslaan. En verder kijkend naar de toekomst, werkt Fermilab hard aan wat zijn vlaggenschipexperiment zal worden, genaamd DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), dat veel betere mogelijkheden zal hebben om dit belangrijke fenomeen te bestuderen.
Hoewel het T2K-resultaat niet definitief is en voorzichtigheid geboden is, is het zeker verleidelijk. Gezien de enorme vraag waarom ons universum geen noemenswaardige antimaterie lijkt te hebben, zal de wetenschappelijke gemeenschap van de wereld gretig wachten op verdere updates.
