Valóban eltűnt az antianyag?
Antianyag-részecskék természetes úton is keletkezhetnek, például a kozmikus sugárzásban vagy villámfelhőben, de bizonyos radioaktív folyamatok során is (például a banánban lévő kálium miatt mindenki elenyésző mennyiségű pozitront bocsát ki). Kutatólaborokban, részecskegyorsítókban is sikerült minimális mennyiséget előállítani, igaz, óriási energia- és pénzigénnyel — miközben a sci-fi történetek gyakran beszélnek antianyaggal hajtott hajókról vagy épp világpusztító fegyverekről.
Az anyag és antianyag találkozásakor energiává alakulnak – Einstein E=mc² képlete alapján már egyetlen gramm is elegendő lehet hatalmas energia felszabadításához. Mégis, valami miatt, ahelyett hogy minden anyag megsemmisült volna a Nagy Bumm után, az anyag diadalmaskodott.
A Standard Modell és a neutrínók különlegessége
A fizikusok sejtése szerint valamilyen korai univerzumbeli folyamat előnyben részesítette az anyag képződését az antianyaghoz képest, de hogy pontosan mi, az egyelőre rejtély. A jelenlegi részecskefizikai elmélet, a Standard Modell nem tud megfelelő magyarázatot adni erre az aszimmetriára, ezért új fizikára van szükség.
Itt lépnek színre a neutrínók: rendkívül kicsi, elektromos töltéssel nem rendelkező részecskék, amelyeknek a Standard Modell szerint tömeg nélkülieknek kellene lenniük – holott a mérések már a kilencvenes évek óta bizonyítják, hogy van némi tömegük (bár legalább egymilliószor könnyebbek, mint az elektron), így önmagukban is kihívást jelentenek az elmélet számára.
A neutrínók különlegessége, hogy alig lépnek kölcsönhatásba más részecskékkel: minden másodpercben kb. 60 milliárd neutrínó halad át minden bőrfelület négyzetcentiméterén, szinte észrevétlenül. Csak ritkán sikerül őket kimutatni, viszont ismert, hogy három „ízben” (elektron-, müon- és tau-neutrínó) léteznek, amelyek képesek egymásba alakulni, azaz „oszcillálnak” menet közben.
A CP-szimmetriát sértő neutrínók
A neutrínók oszcillációja azért lehet izgalmas, mert megvilágíthat bizonyos szimmetriákat (vagy azok megsértését) a természetben. A „CP-szimmetria” azt az elvet jelenti, hogy az anyagi részecske és az annak párját képező antianyag tükörképe elvben pontosan ugyanúgy viselkedik. Ám ha a CP-szimmetria sérül, akkor lehetséges, hogy az anyag és antianyag viselkedése kicsit eltér.
Mezonoknál (kvarkot és antikvarkot tartalmazó részecskéknél) már évtizedek óta ismertek ilyen apró különbségek, ám ezek léptéke messze nem elég a világegyetem anyag-antianyag aszimmetriájának megmagyarázásához. Bár a közelmúltban a CERN-ben egy másik részecskecsoportban, a barionok körében is találtak hasonlót, ezek sem elég jelentősek.
Ezért most a figyelem a neutrínókra terelődik: elképzelhető, hogy ezek a részecskék nagyobb mértékben sértik a CP-szimmetriát — vagyis lényeges eltérés lehet a neutrínók és antineutrínók viselkedése között.
Új generációs kísérletek: DUNE és társai
Az új részecskefizikai kísérletek sorának csúcspontja az Egyesült Államokban épülő DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) lesz, amelyben a világ legerősebb neutrínó-nyalábját indítják majd útnak a chicagói Fermilabtól egészen Dél-Dakotáig (közel 1287 km-re) elhelyezkedő detektorba. A neutrínók és antineutrínók a Földön keresztülhaladva szinte észre sem veszik az anyagot, így nincs szükség fizikai alagútra; a berendezések az út elején és végén rögzítik, mennyit és hogyan változik a részecskék típusa útközben. Ha sikerül kimutatni, hogy a neutrínók és antineutrínók viselkedése számottevően eltér, az arra utalhat, hogy ők felelősek az anyag-antianyag aszimmetriáért — és bár a pontos értéket nem feltétlenül, de annak felső határát meg lehet határozni.
Ezért a neutrínók CP-szimmetriát sértő viselkedésének igazolása nemcsak önmagában lenne történelmi jelentőségű felfedezés, hanem a Standard Modell alapjait is megrengetné, és utat nyithatna az ismeretlen fizika felé. Elméletileg például létezhet két neutrínó-féle: egy könnyű, balkezes (ezeket figyelték meg eddig), és egy rendkívül nehéz, jobbkezes változat. Ezek utóbbiak akár 10¹⁵-ször is nehezebbek lehetnek a protonnál, és lebomlásukkor a korai univerzumban olyan folyamat indulhatott meg, amely az anyag keletkezését segítette elő.
Sőt, egy elképesztő elméleti lehetőség szerint a neutrínó antineutrínóvá alakulhat, és fordítva, amit például a „neutrínómentes kettős béta-bomlás” megfigyelése bizonyíthatna. Több laboratóriumban folynak ilyen irányú kutatások: a japán KamLAND-Zen, a kanadai SNO+, a spanyol NEXT és az olaszországi LEGEND már gyűjti az adatokat. Ezekben egy nagy, radioaktív anyagokat tartalmazó tartályban keresnek a megszokottól eltérő, nagyenergiájú elektronokat, amelyek kibocsátásakor azonban hiányoznak a neutrínók — vagyis az energiaátalakulás bizonyítaná a jelenséget.
A neutrínó mint a kulcs az univerzum megértéséhez
Noha a neutrínó ma is a legismeretlenebb részecskék egyike, lassan, de biztosan felfedik titkaikat. Az új generációs kísérletek révén talán képesek leszünk megfejteni, hogyan „veszett el” az antianyag az univerzum születésekor — és ez az eredmény nemcsak a fizika egyik legnehezebb rejtvényét oldaná meg, hanem az emberiség legnagyobb kérdéséhez is közelebb vihetne: miért vagyunk mi, és miért nem csak „tiszta energia” létezik mindenütt?
