Ganz früh UniversumKurz nach dem Urknall existierten „Materie“ und „Antimaterie“ in gleicher Menge. Aus bisher unbekannten Gründen dominiert jedoch die „Materie“ die Gegenwart Universum. Die T2K-Forscher haben kürzlich das Auftreten einer möglichen Ladungsparitätsverletzung bei Neutrinos und den entsprechenden Anti-Neutrino-Oszillationen nachgewiesen. Dies ist ein Fortschritt beim Verständnis, warum die Materie dominiert Universum.
Der Urknall (der vor etwa 13.8 Milliarden Jahren stattfand) und andere verwandte physikalische Theorien legen nahe, dass die frühen Universum war Strahlung „dominant“ und die „Materie“ und die „Antimaterie“ in gleicher Menge vorhanden.
Aber der Universum von dem wir heute wissen, dass es „Materie“ dominiert. Warum? Dies ist eines der faszinierendsten Geheimnisse der Welt Universum. (1).
Das Universum wie wir heute wissen, begann mit gleichen Mengen an 'Materie' und 'Antimaterie', beide wurden paarweise erzeugt, wie es das Naturgesetz erfordert, und wurden dann vernichtet, wobei wiederholt Strahlung erzeugt wurde, die als 'kosmische Hintergrundstrahlung' bekannt ist. Innerhalb von etwa 100 Mikrosekunden nach dem Urknall begann die Materie (Teilchen) irgendwie die Anzahl der Antiteilchen zu übertreffen, sagen wir einmal pro Milliarde, und innerhalb von Sekunden war die gesamte Antimaterie zerstört und hinterließ nur Materie.
Was ist der Prozess oder Mechanismus, der diese Art von Unterschied oder Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie erzeugen würde?
Im Jahr 1967 postulierte der russische theoretische Physiker Andrei Sacharow drei Bedingungen, die notwendig sind, damit in der Welt ein Ungleichgewicht (oder eine Produktion von Materie und Antimaterie mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten) auftritt Universum. Die erste Sacharow-Bedingung ist die Verletzung der Baryonenzahl (eine Quantenzahl, die bei einer Wechselwirkung erhalten bleibt). Das bedeutet, dass Protonen extrem langsam in leichtere subatomare Teilchen wie ein neutrales Pion und ein Positron zerfielen. Ebenso zerfiel ein Antiproton in ein Pion und ein Elektron. Die zweite Bedingung ist die Verletzung der Ladungskonjugationssymmetrie C und der Ladungskonjugationsparitätssymmetrie CP, auch Ladungsparitätsverletzung genannt. Die dritte Bedingung ist, dass der Prozess, der die Baryonen-Asymmetrie erzeugt, nicht im thermischen Gleichgewicht sein darf, da die schnelle Expansion das Auftreten einer Paarvernichtung verringert.
Es ist Sacharows zweites Kriterium der CP-Verletzung, das ein Beispiel für eine Art Asymmetrie zwischen Teilchen und ihren Antiteilchen ist, die ihren Zerfall beschreibt. Durch den Vergleich der Art und Weise, wie sich Teilchen und Antiteilchen verhalten, dh wie sie sich bewegen, interagieren und zerfallen, können Wissenschaftler Beweise für diese Asymmetrie finden. Die CP-Verletzung liefert einen Beweis dafür, dass einige unbekannte physikalische Prozesse für die unterschiedliche Produktion von Materie und Antimaterie verantwortlich sind.
Die elektromagnetischen und 'starken Wechselwirkungen' sind bekanntermaßen unter C und P symmetrisch und folglich auch unter dem Produkt CP (3) symmetrisch. ''Dies gilt jedoch nicht unbedingt für die 'schwache Wechselwirkung', die sowohl die C- als auch die P-Symmetrie verletzt'' sagt Prof. BA Robson. Er sagt weiter, dass „die Verletzung von CP bei schwachen Wechselwirkungen impliziert, dass solche physikalischen Prozesse zu einer indirekten Verletzung der Baryonenzahl führen könnten, sodass die Entstehung von Materie gegenüber der Entstehung von Antimaterie bevorzugt würde.“ Nicht-Quark-Teilchen weisen keine CP-Verletzungen auf, wohingegen die CP-Verletzungen in Quarks zu klein und unbedeutend sind, um einen Unterschied in der Entstehung von Materie und Antimaterie zu bewirken. Die CP-Verletzung in Leptonen (Neutrinos) wichtig werden und wenn es bewiesen ist, würde es beantworten, warum Universum ist Materie dominant.
Obwohl die Verletzung der CP-Symmetrie noch nicht schlüssig bewiesen werden muss (1), zeigen die vom T2K-Team kürzlich veröffentlichten Ergebnisse jedoch, dass Wissenschaftler wirklich nahe daran sind. Durch hochkomplexe Experimente am T2K (Tokai bis Kamioka) wurde zum ersten Mal gezeigt, dass der Übergang vom Teilchen zum Elektron und Neutrino gegenüber dem Übergang vom Antiteilchen zum Elektron und Antineutrino begünstigt wird (2). T2K bezieht sich auf zwei Labors, den japanischen Proton Accelerator Research Complex (J-Parc) in Tokai und das unterirdische Super-Kamiokande-Neutrino-Observatorium in der Kamioka, Japan, durch etwa 300 km getrennt. Der Protonenbeschleuniger in Tokai erzeugte die Teilchen und Antiteilchen aus hochenergetischen Kollisionen und Detektoren in Kamioka beobachteten die Neutrinos und ihre Antimaterie-Gegenstücke, Antineutrinos, indem sie sehr genaue Messungen durchführten.
Nach der Analyse mehrjähriger Daten am T2K konnten Wissenschaftler den Parameter namens Delta-CP messen, der die CP-Symmetriebrechung bei der Neutrino-Oszillation regelt, und fanden die Nichtübereinstimmung oder Präferenz für eine Erhöhung der Neutrino-Rate, die schließlich dazu führen kann die Bestätigung einer CP-Verletzung in der Art und Weise, wie Neutrinos und Antineutrinos oszillierten. Die vom T2K-Team ermittelten Ergebnisse sind mit einer statistischen Signifikanz von 3 Sigma oder einem Konfidenzniveau von 99.7 % signifikant. Dies ist ein Meilenstein, da die Bestätigung einer CP-Verletzung bei Neutrinos mit der Dominanz der Materie in der Materie zusammenhängt Universum. Weitere Experimente mit einer größeren Datenbank werden testen, ob diese leptonische CP-Symmetrieverletzung größer ist als die CP-Verletzung in Quarks. Wenn dem so ist, dann haben wir endlich die Antwort auf die Frage „Warum?“. Universum ist Materie dominant.
Obwohl das T2K-Experiment nicht eindeutig beweist, dass eine CP-Symmetrieverletzung aufgetreten ist, ist es doch ein Meilenstein in dem Sinne, dass es schlüssig eine starke Präferenz für eine erhöhte Elektronen-Neutronenrate zeigt und uns dem Nachweis des Auftretens einer CP-Symmetrieverletzung und schließlich dem Nachweis näher bringt Antworte: „Warum?“ Universum ist Materie dominant‘.
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References:
1. Tokyo University, 2020. ''T2K-Ergebnisse beschränken mögliche Werte der Neutrino-CP-Phase -…..'' Pressemitteilung veröffentlicht am 16. April 2020. Online verfügbar unter http://www.icrr.u-tokyo.ac.jp/en/news/8799/ Zugriff am 17. April 2020.
2. Die T2K-Kollaboration, 2020. Einschränkung der symmetrieverletzenden Phase von Materie-Antimaterie in Neutrino-Oszillationen. Nature Band 580, Seiten 339–344 (2020). Veröffentlicht: 15. April 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
3. Robson, BA, 2018. Das Materie-Antimaterie-Asymmetrieproblem. Journal of High Energy Physics, Gravitation and Cosmology, 4, 166-178. https://doi.org/10.4236/jhepgc.2018.41015
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