Yapon olimlari materiya va antimateriya asimmetriyasining sabablaridan birini topdi

Biz koinotda ko‘rib turgan hamma narsa materiyadan iborat. Fiziklar uchun bu anchayin muammo sanaladi. Chunki fizika nuqtayi nazarida materiya va antimateriya o‘zaro ekvivalent bo‘lishi kerak deb hisoblanadi. Yapon olimlarining bu boradagi izlanishlari haqida “Daryo” kolumnisti Muzaffar Qosimov ma’lumot beradi.

Tabiatdagi mavjud materiya miqdoriga muqobil miqdorda antimateriya ham bo‘lishi darkor. Xususan, zamonaviy fizikaning markaziy nazariyalaridan bo‘lmish Standart modeli shuni taqozo qiladi. Aniqrog‘i, biz materiya va antimateriyaning o‘zaro to‘qnashishi va annigilyatsiyasidan qolgan fotonlarnigina kuzatishimiz kerak edi. Yanada aniqrog‘i esa biz buni ham ko‘ra olmasligimiz kerak edi, chunki bizning tanamiz ham materiyadan iborat va unga muqobil antimateriya bilan bu materiya allaqachon bir-birini neytrallab qo‘yishi kerak edi.

Lekin tabiatda bunday emas va biz har yon har tarafda materiyaning tiqilib yotganini ko‘rib turibmiz. O‘zimiz ham g‘ij-g‘ij materiyadan tashkil topgan tana ichida yashaymiz. Antimateriya juda oz miqdorda. Chunki koinot yaratilgan o‘sha ilk hodisa — “Ulkan portlash”dan keyin tabiatda materiyaning miqdori antimateriyaning miqdoridan ko‘proq bo‘lib qolgan va undan yulduzlar, galaktikalar, sayyoralar va siz bilan bizning tanamizni tashkil qiluvchi moddalar shakllangan. Demak, materiya va antimateriya o‘zaro ekvivalent ham emas. Boshqacha aytganda, materiya va antimateriya o‘zaro asimmetrikdir!

Olimlar subatom zarrachalar miqyosida simmetriyaning buzilishiga oid bitta misolni aniqladi. Lekin buning o‘zi bilan tabiatda nega materiya antimateriyadan ko‘proq ekanini izohlab bo‘lmaydi. Boshqa turdagi asimmetriyalar haqida ham muayyan gipotezalar ilgari surildi. Shunday gipotezalardan biri yaqinda yapon olimlarning izlanishlari tufayli isbotlangandek ko‘rinmoqda.

Albatta, e’lon qilingan ushbu tadqiqot natijasining aniqlik darajasi hali uni kashfiyot sifatida to‘laqonli e’tirof etishga yo‘l bermayapti. Lekin qo‘rqmasdan aytish joizki, mazkur tadqiqot ancha yillardan beri joyidan qo‘zg‘almay turgan mazkur sohadagi izlanishlarning keyingi rivoji uchun mustahkam asos barpo qilib beradi. Xullas, muz joyidan ko‘chdi. Keling, uning mohiyati bilan tanishamiz.

Subatom zarrachalar asimmetriyasi

Materiyaning ko‘proq ekani, fundamental zarrachalar miqyosidayoq namoyon bo‘lishi kutilgan va tabiiy narsa (chunki hamma materiya ham, avvalo, shu subatom zarrachalardan tuzilgan bo‘ladi). Hozircha bunday farq neytronlar, protonlar va boshqa zarralarni tashkil qiluvchi zarrachalar — kvarklar turkumida aniqlandi. Subatom kvark zarrachalari miqyosidagi materiya va antimateriyaning bu taxlit farqi 1964-yilda kvarklar va antikvarklarning kuchsiz o‘zaro ta’sirlaridan aniqlandi.

Lekin, materiya va antimateriyaning o‘zaro nomuvofiqligini izohlash uchun buning o‘zi kamlik qilgan.

Albatta, boshqa tafovutlar borasida ham gipotezalar mavjud. Masalan, leptonlar deb yuritiladigan zarrachalar turkumi uchun ham tegishli gipoteza ishlab chiqilgan. Leptonlar — bu neytrino, myuonlar, elektronlar va shunga o‘xshashlardir. Va leptonlar va antileptonlar o‘rtasida asimmetriya mavjud bo‘lsa, unda vaqt o‘tishi bilan buning natijasida nafaqat leptonlarning antileptonlarga nisbatan ko‘proq bo‘lib qolishiga, balki atom massasining katta qismini tashkil qiluvchi zarrachalar turkumi — barionlarning ham ko‘proq bo‘lishiga olib kelishi kerak.

Xo‘sh, bu farqni qanday qilib payqash mumkin? Olimlar zarrachalar ustidan juda uzoq kuzatuv olib bordi. Xususan, ular neytrinoni ko‘proq kuzatdi. Yaponiyaning T2K Collaboration nomli yirik ilmiy loyihasi aynan shu masala bilan shug‘ullanadi. Bu chuqur yerostiga joylashtirilgan g‘alati tajriba maydonchasi bo‘lib, u tutqich bermas zarracha — neytrinoni poylash uchun barpo qilingan.

Hamma gap neytrinoda!

Neytrino — o‘ziga xos jihatlari bilan mashhur bo‘lgan subatom zarrachasidir. Bu o‘ziga xosliklardan eng asosiysi shuki, uning muayyan aniq bir holati mavjud emas. U uch xil holatlar orasidagi superpozitsiya holatida bo‘ladi. Biz neytrinoga tegishli o‘lchov olib borganimizda, u yoki elektron-neytrino yoki myuon-neytrino yo tau-neytrino holatida bo‘ladi. Afsuski, yaponlarning o‘sha mazkur detektori tau-neytrino holatini baribir tuta olmaydi.

Siz myuon-neytrino guruhchasidan birortasini aniqlasangiz, katta ehtimollik bilan keyingi safar bir necha elektron-neytrinoga duch kelasiz.

Bularning o‘zaro o‘zgaruvchanligi bilan materiya-antimateriya asimmetriyasining nima aloqasi bor?

Gipotetik jihatdan neytrinoning o‘zgaruvchanligi antineytrinoning o‘zgaruvchanligidan farq qilishi kerak. Va ushbu farqni sezish uchun esa bu kabi zarrachalar ustidan yuz va balki minglab marta kuzatuv o‘tkazish kerak.

Yerosti tajribaxonasi nimaga kerak?

T2K loyihasi ustida ishlayotgan olimlar mana bir necha yildirki, protonlarni to‘qnashtirish orqali beqaror zarrachalar oqimini hosil qilish bilan tajribalar yuritmoqda. Zarralar to‘qnashgach, bir necha myuon-neytrino hosil qiladi va ular o‘sha yo‘nalishda uchishda davom etadi. Natijada, neytrinodan iborat oqim yuzaga keladi. Olimlar esa yoki myuon-antineytrinodan nur oqimi yoki myuon-neytrinodan iborat nur oqimini hosil qilish orqali zarrachalarning zaryadini boshqarib turishlari mumkin bo‘ladi.

Keyin ushbu nurlar 300 km masofada joylashgan suv rezervuariga tomon yo‘naladi. Bu o‘rinda hech qanday tunnelga zarurat bo‘lmaydi, chunki neytrino deyarli hech qachon materiya bilan o‘zaro ta’sirlashmaydi. Ushbu uchish masofasi davomida esa o‘sha myuon-neytrinolardan ayrimlari elektron-neytrinoga aylanishi mumkin (yoki myuon-antineytrinolardan ayrimlari elektron-antineytrinoga aylanadi).

Suvli rezervuar tajribaxonasi Super Kamiokande deb nomlanadi va unda sof molekulyar suv saqlanadi. Uning devorlari fotodetektorlar bilan qoplangan. Unga yetib kelgan neytrino suv molekulasi yadrosidagi zarrachalar bilan ta’sirlashganda (bu juda kamdan-kam sodir bo‘ladi) undan elektron va myuonlar uchib chiqib ketadi. Detektorlar esa ushbu uchib chiqib ketishdan hosil bo‘lgan yorug‘likni payqaydi va qayd qiladi, shuningdek, uning turini aniqlaydi (tau turini aniqlay olmasligini yuqorida aytdik).

Ishonasizmi, T2K loyihasida, yerosti tajribaxonasida yapon fiziklari 2009-yildan buyon shunday eksperimentlarni olib bormoqda. Ular yaqinda e’lon qilgan tahlillar esa 2009—2018-yillarda olingan juda ko‘p sonli tajriba natijalariga tayanadi. Ular boshlang‘ich nur oqimi va unga mos keluvchi detektor qaydlarini taqqoslash orqali neytrino va antineytrinoning o‘zaro balansi qonuniyatlarini aniqlashga uringan.

Tajriba natijalariga ko‘ra, neytrino va antineytrino miqdorida ham muayyan qonuniyatga tayanadigan farq kuzatilmoqda, deb xulosa qildi yaponlar. Biroq bu xulosaning ishonchliligi 95 foiz deb aytilgani uchun uni hozircha ilmiy natija sifatida mukammal isbot deb qabul qilishga ham shoshmaslik kerak. U keyingi ilmiy ishlar uchun asos bo‘lib xizmat qiladi va tajribalar yana davom ettiriladi.

Xususan, endi nazariyotchi fiziklar ushbu ma’lumotlarni past energetik neytrino uchun tatbiq qilgan holda yuqori energetik neytrino uchun ham ko‘rib chiqishlari mumkin bo‘ladi va ushbu zarrachalarning boshqa zarrachalarga qanday ta’sir qilish mexanizmlari mavjudligini modellashtiradi.