Alysia Marino en Eric Zimmerman, natuurkundigen aan de CU Boulder, zijn de afgelopen twee decennia op jacht geweest naar neutrino's.

Dat is geen gemakkelijke opgave:neutrino's behoren tot de meest ongrijpbare subatomaire deeltjes die de wetenschap kent. Ze hebben geen lading en zijn zo licht - elk heeft een massa die vele malen kleiner is dan het elektron - dat ze slechts in zeldzame gevallen interactie hebben met de wereld om hen heen.

Ze kunnen ook de sleutel zijn tot enkele van de diepste mysteries van de natuurkunde.

In een onderzoek dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd: Natuur , Marino, Zimmerman en meer dan 400 andere onderzoekers van een experiment genaamd T2K komen dichter bij het beantwoorden van een van de grote vragen:waarom vernietigde het universum zichzelf niet in een gigantische uitbarsting van energie niet lang na de oerknal?

Het nieuwe onderzoek suggereert dat het antwoord neerkomt op een subtiele discrepantie in de manier waarop neutrino's en hun kwaadaardige tweeling, de antineutrino's, zich gedragen - een van de eerste aanwijzingen dat verschijnselen die materie en antimaterie worden genoemd, misschien niet de exacte spiegelbeelden zijn die veel wetenschappers geloofden.

De bevindingen van de groep laten zien wat wetenschappers kunnen leren door deze bescheiden deeltjes te bestuderen, zei Zimmerman, een professor in het departement Natuurkunde.

"Zelfs 20 jaar geleden, het veld van de neutrinofysica was veel kleiner dan het nu is, " hij zei.

Marino, een universitair hoofddocent natuurkunde, Akkoord. "Er is nog veel dat we proberen te begrijpen over hoe neutrino's op elkaar inwerken, " ze zei.

Oerknal

Neutrino's, die pas in de jaren vijftig direct werden gedetecteerd, worden vaak diep in sterren geproduceerd en behoren tot de meest voorkomende deeltjes in het universum. ooit tweede, triljoenen van hen gaan door je lichaam, hoewel er weinig of geen zullen reageren met een enkele van je atomen.

Om te begrijpen waarom deze kosmische paardenbloempluis belangrijk is, het helpt om terug te gaan naar het begin - het allereerste begin.

Op basis van hun berekeningen natuurkundigen geloven dat de oerknal een enorme hoeveelheid materie moet hebben gecreëerd naast een gelijke hoeveelheid antimaterie. Deze deeltjes gedragen zich precies zoals, maar hebben tegengestelde ladingen van, de protonen, elektronen en alle andere materie waaruit alles bestaat wat je om je heen kunt zien.

Er is slechts één probleem met die theorie:materie en antimaterie vernietigen elkaar bij contact.

"Ons universum van vandaag wordt gedomineerd door materie en niet door antimaterie, "Zei Marino. "Dus er moest een proces in de natuurkunde zijn dat materie van antimaterie onderscheidde en aanleiding zou kunnen geven tot een kleine overmaat aan protonen of elektronen ten opzichte van hun antideeltjes."

Overuren, dat kleine overschot werd een groot overschot totdat er vrijwel geen antimaterie meer in de kosmos was. Volgens een populaire theorie, neutrino's ten grondslag liggen aan die discrepantie.

Zimmerman legde uit dat deze subatomaire deeltjes in drie verschillende soorten voorkomen, die wetenschappers "smaken, " met unieke interacties. Ze zijn het muon-neutrino, elektronenneutrino en tau-neutrino. Je kunt ze zien als het Napolitaanse ijs van de natuurkundige.

Deze smaken, echter, blijf niet zitten. Ze oscilleren. Als je ze genoeg tijd geeft, bijvoorbeeld, de kans dat een muon-neutrino blijft, kan een muon-neutrino verschuiven. Stel je voor dat je je vriezer opent en niet weet of het vanille-ijs dat je achterliet nu chocolade of aardbei zal zijn, in plaats daarvan.

Maar geldt hetzelfde voor antineutrino's? Voorstanders van de theorie van "leptogenese" beweren dat als er zelfs maar een klein verschil zou zijn in hoe deze spiegelbeelden zich gedragen, het zou een grote bijdrage kunnen leveren aan het verklaren van de onbalans in het universum.

"De volgende grote stap in de neutrino-fysica is om te begrijpen of neutrino-oscillaties met dezelfde snelheid plaatsvinden als anti-neutrino-oscillaties, ', aldus Zimmermann.

Reizen door Japan

Dat, echter, betekent het van dichtbij observeren van neutrino's.

de T2K, of Tokai naar Kamioka, Experiment gaat tot het uiterste om precies dat te doen. Bij deze poging, wetenschappers gebruiken een deeltjesversneller om bundels bestaande uit neutrino's te schieten vanaf een onderzoekslocatie in Tokai, Japan, naar detectoren in Kamioka - een afstand van meer dan 180 mijl of de gehele breedte van het grootste eiland van Japan, Honshu.

Zimmerman en Marino hebben allebei sinds de jaren 2000 deelgenomen aan de samenwerking. De afgelopen negen jaar, het duo en hun collega's van over de hele wereld hebben afgewisseld met het bestuderen van bundels van muon-neutrino's en muon-antineutrino's.

In hun meest recente onderzoek de onderzoekers sloegen op betalen vuil:deze stukjes materie en antimaterie lijken zich anders te gedragen. Muon neutrino's, Zimmerman zei, zijn meer geneigd om te oscilleren in elektronenneutrino's dan hun antineutrino-tegenhangers.

De resultaten komen met grote kanttekeningen. De bevindingen van het team zijn nog steeds nogal schuw voor de gouden standaard van de natuurkundegemeenschap voor een ontdekking, een maat voor statistische significantie die 'vijf-sigma' wordt genoemd. De T2K-samenwerking is het experiment al aan het upgraden, zodat het meer gegevens kan verzamelen en sneller om dat doel te bereiken.

Maar, Marino zei, de resultaten bieden een van de meest verleidelijke hints tot nu toe dat sommige soorten materie en antimaterie anders kunnen werken - en niet in een triviale hoeveelheid.

"Om de T2K-resultaten uit te leggen, het verschil moet bijna het grootste bedrag zijn dat je zou kunnen krijgen" op basis van theorie, ze zei.

Marino ziet de studie als een venster op de fascinerende wereld van neutrino's. Er zijn veel meer prangende vragen rond deze deeltjes, ook:hoeveel, bijvoorbeeld, weegt elke smaak van neutrino? zijn neutrino's, in een heel vreemde wending, eigenlijk hun eigen antideeltjes? Zij en Zimmerman nemen deel aan een tweede samenwerking, een aanstaande inspanning genaamd het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), dat zal de opgewaardeerde T2K helpen bij het vinden van die antwoorden.

"Er zijn nog steeds dingen die we uitzoeken omdat neutrino's zo moeilijk te produceren zijn in een laboratorium en zulke gecompliceerde detectoren nodig hebben, ' zei Marino. 'Er is nog ruimte voor meer verrassingen.'