Miks me olemas oleme? See on võib-olla kõige sügavam küsimus, mis võib tunduda osakeste füüsika ulatusest täiesti väljaspool. Kuid meie uus katse CERNi suure hadronite põrkeseadmel on lähendanud meid vastusele. Mõistmaks, miks me eksisteerime, peate kõigepealt minema 13,8 miljardit aastat tagasi, Suure Paugu ajal. Selle sündmuse tulemusel saadi võrdses koguses ainet, millest me oleme valmistatud, ja antimaterjali.
Arvatakse, et igal osakesel on antimaterjali partner, mis on sellega peaaegu identne, kuid sellel on vastupidine laeng. Kui osake ja selle antiosakesed kohtuvad, hävivad nad - kaovad valguse käes.
Kus on kõik antimaterjal?
Miks universum, mida me näeme, koosneb täielikult ainest, on tänapäevase füüsika üks suurimaid saladusi. Kui seal oleks kunagi võrdses koguses antimaterjali, häviks kõik universumis. Ja nii, näib, et hiljuti avaldatud uurimus leidis uue asümmeetriaallika mateeria ja antimaterjali vahel.
Esimesena rääkis Arthur Schuster antimaterjalist 1896. aastal, siis 1928. aastal andis Paul Dirac sellele teoreetilise aluse ja 1932. aastal avastas Karl Anderson selle anti-elektronide kujul, mida nimetatakse positroniteks. Positronid sünnivad looduslikes radioaktiivsetes protsessides, näiteks kaaliumi-40 lagunemisel. See tähendab, et tavaline banaan (sisaldab kaaliumi) eraldab iga 75 minuti järel positroni. Seejärel hävib see mateeria elektronidega, tekitades valgust. Meditsiinilised rakendused, näiteks PET-skannerid, toodavad sarnases protsessis ka antimaterjali.
Aatomite koostisosa peamised ehitusplokid on elementaarosakesed - kvargid ja leptonid. Kvarke on kuut tüüpi: üles, alla, kummalisi, võlutud, tõelisi ja ilusaid. Samuti on kuus leptoni: elektron, müon, tau ja kolme tüüpi neutriino. Nendest kaheteistkümnest osakesest on ka antimaterjalseid koopiaid, mis erinevad ainult nende laengu poolest.
Antimaterjalide osakesed peaksid põhimõtteliselt olema nende tavaliste satelliitide täiuslik peegelpilt. Kuid katsed näitavad, et see pole alati nii. Võtame näiteks mesoonidena tuntud osakesi, mis koosnevad ühest kvarkist ja ühest antikvaarist. Neutraalsetel mesoonidel on hämmastav omadus: nad võivad spontaanselt muutuda oma mesoonivastaseks ja vastupidi. Selles protsessis muutub kvark antiikparkiks või antikvariks kvark. Kuid katsed on näidanud, et see võib juhtuda sagedamini ühes suunas kui teises - selle tagajärjel on aja jooksul rohkem ainet kui antimaterjal.
Reklaamvideo:
Kolmas kord on maagiline
Kvarke sisaldavate osakeste hulgas leidus selliseid asümmeetriaid ainult imelikes ja kaunites kvarkades - ja need avastused said äärmiselt oluliseks. Kummaliste osakestega asümmeetria esimene vaatlus 1964. aastal võimaldas teoreetikutel ennustada kuue kvargi olemasolu - ajal, mil teadaolevalt oli neid ainult kolm. Asümmeetria avastamine kaunites osakestes 2001. aastal oli kuue kvargi pildile viinud mehhanismi lõplik kinnitus. Mõlemad avastused teenisid Nobeli auhindu.
Nii kummalised kui ka ilusad kvargid kannavad negatiivseid elektrilaenguid. Ainus positiivselt laetud kvark, mis teoreetiliselt peaks suutma moodustada osakesi, mis võivad ilmneda aine ja antimaterjali asümmeetriaga, on võluv. Teooria viitab sellele, et ta teeb seda, tema mõju peaks olema ebaoluline ja raskesti leitav.
Kuid LHCb-eksperimendil suure Hadroni kokkupõrkel õnnestus esimest korda jälgida sellist asümmeetriat osades, mida nimetatakse D-mesoonideks, mis koosnevad võluvatest kvarkadest. Selle teeb võimalikuks enneolematu kogus võlus osakesi, mis tekivad otse LHC kokkupõrgetes. Tulemus näitab, et tõenäosus, et tegemist on statistilise kõikumisega, on 50 miljardi kohta.
Kui see asümmeetria ei sünni samast mehhanismist, mis viib kummaliste ja ilusate kvarkide asümmeetriani, on ruumi mateeria-antimaterjali asümmeetria uutele allikatele, mis võivad lisada universumis olevate inimeste üldisele asümmeetriale. Ja see on oluline, kuna mitmed teadaolevad asümmeetriajuhtumid ei suuda selgitada, miks universumis on nii palju ainet. Ainuüksi võlu kvarki avastusest ei piisa selle probleemi lahendamiseks, kuid see on osakeste oluliste koosmõjude mõistmisel oluline mõistatus.
Järgmised sammud
Sellele avastusele järgneb tulemuse tõlgendamisel abistavate teoreetiliste tööde arvu suurenemine. Kuid veelgi olulisem on, et ta visandab täiendavad testid, et süvendada meie avastuse mõistmist - ja mõned neist testidest on juba käimas.
Järgmisel kümnendil suurendab täiendatud LHCb-katse selliste mõõtmiste tundlikkust. Seda täiendab Belle II katse Jaapanis, mis alles algab.
Antimaterjal on ka paljude teiste katsete keskmes. Terveid antiatoome toodetakse CERNi Antiprotoni moderaatoris ja need pakuvad mitmesuguseid ülitäpseid mõõtmiskatseid. Katse AMS-2 rahvusvahelise kosmosejaama pardal otsib kosmosest pärit antimaterjali. Mitmed praegused ja tulevased katsed on pühendatud küsimusele, kas neutriinode hulgas on mateeria-antimaterjali asümmeetriat.
Kuigi me ei suuda ikka veel mateeria ja antimaterjali asümmeetria saladust täielikult lahti harutada, avas meie viimane avastus täpsete mõõtmiste ajastu, mis võib paljastada veel tundmatuid nähtusi. On põhjust arvata, et ühel päeval suudavad füüsikud selgitada, miks me siin üldse oleme.
Ilja Khel
