Het bestaan van materie in het universum door ‘CP-schending in de neutrino sector’ – deel III

We leven in een heelal vol met materie, voor ’t allergrootste deel opgebouwd uit de elementaire deeltjes quarks en elektronen (even niet gekeken naar donkere materie). En da’s hoogst opmerkelijk. Bij het ontstaan van het heelal 13,8 miljard jaar geleden zou volgens natuurkundige symmetriewetten net zoveel materie als antimaterie moeten zijn ontstaan. En als materie en antimaterie in die dichte hete bol na de oerknal samenkomen annihileert het en gaat het over in licht. Deze symmetrie tussen materie en antimaterie, die de natuurkundigen de CP-symmetrie noemen, zou een heelal van alleen maar licht moeten opleveren, zonder sterren, planeten en levende wezens. Maar kennelijk is ‘t allemaal iets anders verlopen en hebben we een heelal dat grotendeels uit materie bestaat en waarin antimaterie slechts sporadisch voorkomt – op elke miljard deeltjes in het heelal komt er één antideeltje voor. Om er achter te komen wat er in het vroege heelal anders is gegaan dan het Standaard Model voorspelt onderzoekt men die CP-symmetrie en kijkt men of er sprake is van zogeheten CP-schending. Dat is al lang geleden waargenomen bij quarks in B-mesonen, maar die afwijkingen zijn zo klein dat ze nooit de waargenomen asymmetrie tussen materie en antimaterie kunnen verklaren. Vandaar dat men zich richt op een deeltje dat in geweldige hoeveelheden aanwezig is in het heelal, het neutrino.

Eén van de experimenten waar ze neutrino’s bestuderen is T2K (‘Tokai to Kamioka’) in Japan, waarbij bundels neutrino’s en antineutrino’s worden geproduceerd in een kernreactor in Tokai, die vervolgens gericht worden gestuurd naar het ondergrondse Super-Kamiokande neutrino observatorium in Kamioka, 295 km verderop. In dit experiment werd al zo’n schending waargenomen, hetgeen de twee eerdere blogs over dit onderwerp opleverde, eerst in 2016 en daarna in 2017. Nu zijn er weer nieuwe metingen gedaan met T2K en die zijn een bevestiging van die eerdere metingen, dus vandaar dat deze blog deel III is (Wybren de Jong had er in de Astrocorner ook al een blog over).

Voor de details van het experiment verwijs ik naar de eerdere blogs en de blog van Wybren. De cruciale parameter in alle experimenten is de zogeheten δ_cp fase, die de CP-schending in neutrino oscillaties weergeeft – via die oscillaties veranderen neutrino’s telkens van ‘smaak’, in dit experiment van (anti)muon neutrino naar (anti)elektron neutrino. Vanuit de Tokai reactor gingen welgeteld  1,49 x 10²¹ protonen voor de neutrinobundel naar Kamiokande en 1,64 x 10²¹ voor de antineutrinobundel. Zoals je aan de grafiek hierboven ziet wordt het grijze gebied met een waarschijnlijkheid van 99,7% uitgesloten en is gebleken dat bij die oscillaties vaker elektron neutrino’s ontstaan dan anti-elektron neutrino’s – 90 stuks resp. 15 stuks.

Men denkt dat door het zogeheten seesaw mechanism de neutrino’s in het vroege heelal in staat zijn geweest om dat overschot van materie boven antimaterie te creeëren – zie mijn blog uit 2016 voor de details daarvoor. Bron: Phys.org.