בשלב מוקדם מאוד עוֹלָם, זמן קצר לאחר המפץ הגדול,דבר' וה'אנטי-חומר' שניהם היו קיימים בכמות שווה. עם זאת, מהסיבות שלא ידועות עד כה, ה'דבר' שולט בהווה עוֹלָם. חוקרי T2K הראו לאחרונה התרחשות של הפרה אפשרית של Charge-Parity בניוטרינו והתנודות האנטי-נוטרינו המתאימות. זהו צעד קדימה בהבנת הסיבה דבר שולט ב עוֹלָם.
המפץ הגדול (שהתרחש לפני כ-13.8 מיליארד שנים) ותיאוריות אחרות הקשורות לפיזיקה מצביעים על כך עוֹלָם הקרינה הייתה 'דומיננטית' וה'דבר' וה 'אנטי חומר' היה קיים בכמות שווה.
אבל עוֹלָם שאנחנו יודעים שהיום הוא 'חומר' דומיננטי. למה? זו אחת התעלומות המסקרנות ביותר של עוֹלָם. (1).
אל האני עוֹלָם שאנו יודעים שהיום התחילו בכמויות שוות של 'חומר' ו'אנטי-חומר', שניהם נוצרו בזוגות כפי שחוק הטבע ידרוש ולאחר מכן הושמדו שוב ושוב תוך הפקת קרינה המכונה 'קרינת הרקע הקוסמית'. בתוך כ-100 מיקרו שניות מהמפץ הגדול החומר (החלקיקים) איכשהו התחיל לעלות במספר האנטי-חלקיקים בנגיד אחד מכל מיליארד ותוך שניות כל האנטי-חומר הושמד, והותיר מאחוריו רק חומר.
מהו התהליך או המנגנון שיצרו סוג כזה של הבדל או אסימטריה בין החומר לאנטי-חומר?
בשנת 1967, הפיזיקאי התיאורטי הרוסי אנדריי סחרוב הניח שלושה תנאים הדרושים לחוסר איזון (או ייצור של חומר ואנטי-חומר בקצבים שונים) עוֹלָם. תנאי סחרוב ראשון הוא הפרת מספר הבריון (מספר קוונטי שנשמר באינטראקציה). זה אומר שהפרוטונים התפרקו באיטיות רבה לחלקיקים תת-אטומיים קלים יותר כמו פיון ניטרלי ופוזיטרון. באופן דומה, אנטי פרוטון התפרק לכדי פיון ואלקטרון. תנאי שני הוא הפרה של סימטריית צימוד מטען, C, וסימטריית צימוד מטען-זוגיות, CP הנקראת גם הפרת Charge-Parity. תנאי שלישי הוא שהתהליך שיוצר אסימטריה באריון לא חייב להיות בשיווי משקל תרמי עקב התפשטות מהירה שמקטינה את התרחשות השמדת זוג.
זהו הקריטריון השני של הסחרוב להפרת CP, המהווה דוגמה לסוג של חוסר סימטריה בין חלקיקים לאנטי-חלקיקים שלהם, המתאר את הדרך בה הם מתכלים. על ידי השוואת האופן שבו חלקיקים ואנטי-חלקיקים מתנהגים, כלומר האופן שבו הם נעים, מתקשרים ומתפוררים, מדענים יכולים למצוא עדויות לאסימטריה זו. הפרת ה-CP מספקת ראיה לכך שכמה תהליכים פיזיקליים לא ידועים אחראים לייצור הדיפרנציאלי של חומר ואנטי-חומר.
ידוע שהאינטראקציות האלקטרומגנטיות וה'חזקות' הן סימטריות תחת C ו-P, וכתוצאה מכך הן סימטריות גם תחת CP המוצר (3). ''עם זאת, זה לא בהכרח המקרה של 'האינטראקציה החלשה', המפרה את סימטריות C ו-P כאחד. אומר פרופ' BA רובסון. עוד הוא אומר כי "ההפרה של CP באינטראקציות חלשות מרמזת שתהליכים פיזיקליים כאלה יכולים להוביל להפרה עקיפה של מספר הבריון, כך שיצירת חומר תועדף על פני יצירת אנטי-חומר". חלקיקים שאינם קווארקים אינם מראים הפרות כלשהן של CP ואילו הפרת ה-CP בקווארקים היא קטנה מדי ואינם משמעותיים כדי שיהיו הבדלים בחומר וביצירת אנטי-חומר. אז, הפרת CP בלפטונים (נויטרינו) הופכים חשובים ואם זה יוכח אז זה יענה למה עוֹלָם הוא החומר דומיננטי.
למרות שהפרת סימטרית CP עדיין לא הוכחה סופית (1), אבל הממצאים שדווחו על ידי צוות T2K לאחרונה מראים שמדענים ממש קרובים לזה. הוכח לראשונה שהמעבר מחלקיק לאלקטרון וניטרינו מועדף על פני המעבר מאנטי-חלקיק לאלקטרון ואנטי-נייטרינו, באמצעות ניסויים מתוחכמים ביותר ב-T2K (טוקאי לקמיוקה) (2). T2K מתייחס לזוג מעבדות, מתחם המחקר היפני של מאיץ פרוטונים (J-Parc) ב- טוקאי ומצפה הכוכבים התת-קרקעי של נייטרינו Super-Kamiokande ב- קמיוקה, יפן, מופרדות בכ-300 ק"מ. מאיץ הפרוטונים בטוקאי יצר את החלקיקים והאנטי-חלקיקים מהתנגשויות באנרגיה גבוהה וגלאים בקמיוקה צפו בניטרינו ובמקביליהם האנטי-חומריים, אנטי-נייטרינו על ידי ביצוע מדידות מדויקות מאוד.
לאחר ניתוח של מספר שנים של נתונים ב-T2K, מדענים הצליחו למדוד את הפרמטר הנקרא דלתא-CP, השולט בסימטריית ה-CP שבירת תנודת הניטרינו ומצאו את חוסר ההתאמה או העדפה לשיפור קצב הניטרינו אשר יכול בסופו של דבר להוביל ל האישור של הפרת CP באופן שבו נייטרינו ואנטי-נייטרינו התנודדו. התוצאות שנמצאו על ידי צוות T2K מובהקות במובהקות סטטיסטית של 3 סיגמא או רמת ביטחון של 99.7%. זהו הישג אבן דרך שכן אישור של הפרת CP הכוללת ניטרינו קשור לדומיננטיות של החומר ב עוֹלָם. ניסויים נוספים עם מסד נתונים גדול יותר יבדקו אם הפרת סימטריית CP הלפטונית זו גדולה יותר מהפרת CP בקווארקים. אם זה כך אז סוף סוף תהיה לנו תשובה לשאלה למה עוֹלָם הוא החומר דומיננטי.
אמנם ניסוי T2K אינו קובע בבירור שהתרחשה הפרת סימטרית CP, אך זהו אבן דרך במובן זה שהוא מראה באופן סופי העדפה חזקה לקצב נויטרונים אלקטרוני משופר ומקרב אותנו להוכחת התרחשות של הפרת סימטרית CP ובסופו של דבר ל- תשובה 'למה עוֹלָם החומר דומיננטי'.
***
הפניות:
1. אוניברסיטת טוקיו, 2020. ''תוצאות T2K מגבילות ערכים אפשריים של ניוטרינו CP Phase -…..'' הודעה לעיתונות שפורסמה ב-16 באפריל 2020. זמין באינטרנט בכתובת http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ נגיש ב-17 באפריל 2020.
2. The T2K Collaboration, 2020. אילוץ על השלב המפר סימטריה אנטי-חומר בתנודות נייטרינו. כרך טבע 580, עמודים 339–344(2020). פורסם: 15 באפריל 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. רובסון, BA, 2018. בעיית אסימטריית החומר-אנטי-חומר. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
***
