18 juli 2018

Kan het neutrino schommel-mechanisme voor de materie-antimaterie asymmetrie hebben gezorgd?

Het super-Kamiokande neutrino observatorium

Er is veel meer materie dan antimaterie in het heelal. Gelukkig maar, want als het in gelijke hoeveelheden voorkomt en materie en antimaterie komen met elkaar in aanraking, dan annihileren ze en veranderen ze in licht, hetgeen voor het heelal niet goed zou zijn. Deze zogeheten Baryon asymmetrie moet in het vroege heelal ontstaan zijn, maar hoe dat precies gebeurd is dat is nog een raadsel. Volgens het Standaard Model van de elementaire deeltjes en natuurkrachten zouden er eigenlijk gelijke hoeveelheden materie en antimaterie moeten zijn, want voor beiden geldt de CP-symmetrie, dat is symmetrie van lading (‘charge’) en pariteit (‘parity’). Bij quarks is al lang geleden ontdekt dat die soms de CP-symmetrie schenden en dat quarks zich anders gedragen dan antiquarks. Nu blijkt echter uit experimenten uitgevoerd met het T2K experiment in Japan, waarbij bundels neutrino’s en antineutrino’s worden geproduceerd in Tokai en gestuurd naar het ondergrondse Super-Kamiokande neutrino observatorium (zie afbeelding hierboven) in Kamioka, 320 km verderop, dat mogelijk ook de neutrino’s aan CP-schending doen.

Neutrino oscillaties. Credit: Matt Strassler

Er zijn drie soorten neutrino’s – elektron, muon en tau neutrino’s – en sinds 1998 weet men dat deze kunnen ‘oscilleren’, waarbij ze van de ene smaak (‘flavor’) over kunnen gaan in de andere smaak. Om te kunnen oscilleren moeten de neutrino’s een quantum-mechanische mix of “superpositie” van drie mogelijke massa’s zijn. Dat is op zich al vreemd, want volgens het Standaard Model zouden ze massaloos moeten zijn, net als de fotonen. Naast de drie smaken neutrino’s zijn er ook drie smaken antineutrino’s, die ook in elkaar kunnen oscilleren. Eerder was al waargenomen dat er een belangrijk verschil tussen de neutrino’s en antineutrino’s is: alle neutrino’s zijn linkshandig – ze draaien met de klok mee ten opzichte van hun bewegingsrichting – en alle anti-neutrino’s zijn rechtshandig.

Credit: Lucy Reading-Ikkanda for Quanta Magazine

Volgens de CP-symmetrie van het Standaard Model zouden neutrino’s en antineutrino’s in dezelfde mate moeten oscilleren. Om dat te onderzoeken keek men bij het T2K experiment naar oscillaties tussen de smaken elektron en muon. Bij CP symmetrie zouden ze 23 elektron neutrino’s en 7 elektron antineutrino’s moeten zien, bij maximale CP schending zouden dat er 27 respectievelijk 6 moeten zijn. Wat kwam uit de experimenten naar voren: men zag 32 elektron neutrino’s en 4 elektron antineutrino’s! Een duidelijker schending van de CP-symmetrie is er niet. Wel gelijk vermelden dat dit maar één experiment is dat deze schending gedetecteerd heeft en de statistische betrouwbaarheid van de meting is met 2? niet hoog, maar toch…

Credit afbeelding: FNAL

Men denkt nu dat als neutrino’s inderdaad aan CP-schending doen dat er een mechanisme is wat dat veroorzaakt, iets wat men het schommel mechanisme noemt (‘Seesaw mechanism’, zie afbeelding hierboven). Volgens dat mechanisme zouden de lichte linkshandige neutrino’s een zware partner moeten hebben, die rechtsdraaiend is, de lichte, rechtshandige antineutrino’s zouden een zware, linkshandige antipartner moeten hebben. Neutrino’s én antineutrino’s zouden Majorana deeltjes zijn, die van de ene in de andere kunnen veranderen en die identiek zijn, behalve dan hun links- of rechtshandigheid. Het idee is nu dat het vroege heelal dicht bevolkt was met die zwaardere neutrino’s en antineutrino’s uit het schommel mechanisme. Als neutrino’s inderdaad aan CP-schending doen dan zou het kunnen dat de zwaardere neutrino’s en antineutrino’s in dat vroege heelal vervielen en dat daarbij meer materie ontstond dan antimaterie. En dat zou dan mogelijk een verklaring geven voor de waargenomen baryon asymmetrie. Hieronder tenslotte nog een video over de rol van symmetrie in de natuur.

Bron: Quanta Magazine.

Trackbacks

  1. […] van het Standaard Model zouden neutrino’s en antineutrino’s in dezelfde mate moeten oscilleren. In 2016 bleek al dat dat niet zo was: bij het T2K experiment kijkt men naar oscillaties tussen de smaken elektron en muon, zowel bij de […]

Laat wat van je horen

*

Deze website gebruikt Akismet om spam te verminderen. Bekijk hoe je reactie-gegevens worden verwerkt.