Di alam semesta kita, refleksi dari tangan kiri tampak seperti tangan kanan. Sebagian besar hukum alam simetris tentang pantulan cermin dan mematuhi hukum yang sama - dengan pengecualian interaksi yang lemah. Untuk beberapa alasan, hanya partikel kidal yang berinteraksi dengan lemah, tetapi tidak dengan partikel tangan kanan.
Lambaikan tangan Anda di cermin dan pantulan Anda kembali ke arah Anda. Namun, itu akan melakukannya dengan tangan yang berlawanan dari yang Anda gunakan. Bagi kebanyakan dari kita, ini bukan masalah - kita dapat melambaikan tangan yang lain, dan pantulannya, pada gilirannya, akan melambai sebaliknya. Tetapi untuk Semesta, beberapa interaksi hanya berfungsi untuk partikel kidal - khususnya, untuk partikel yang mengalami interaksi lemah . Versi sisi kanan mereka, tidak peduli bagaimana penampilan kami, tidak dapat ditemukan.
Tapi kenapa? Di manakah alam semesta memiliki kualitas seperti itu, dan mengapa ia memanifestasikan dirinya hanya dalam kasus interaksi yang lemah? Bagaimanapun, interaksi kuat, elektromagnetik, dan gravitasi idealnya simetris sehubungan dengan konfigurasi sisi kiri dan kanan. Fakta dalam sains ini telah diverifikasi dalam banyak eksperimen, dan eksperimen baru sedang disiapkan untuk memverifikasinya lebih dalam. Dan meskipun ini dijelaskan dengan baik oleh fisika Model Standar, tidak ada yang benar-benar tahu mengapa alam semesta bekerja seperti ini. Inilah yang kami ketahui sejauh ini.
Mengatasi penghalang kuantum disebut efek terowongan . Ini adalah salah satu sifat aneh dari mekanika kuantum. Partikel kuantum sendiri juga memiliki sifat bawaannya - massa, muatan, spin - yang tidak berubah setelah pengukuran.
Bayangkan diri Anda sebagai sebuah partikel. Anda bergerak di ruang angkasa, Anda memiliki sifat kuantum tertentu seperti massa dan muatan. Dan Anda juga tidak hanya memiliki momentum sudut yang relatif terhadap semua partikel (dan antipartikel) di sekitar Anda, tetapi juga momentum sudut internal Anda dalam kaitannya dengan arah gerakan Anda - putaran . Properti Anda, seperti partikel, sangat menentukan jenis partikel Anda.
Dengan tangan Anda, Anda dapat membayangkan dua versi diri Anda - kidal dan kidal. Pertama, arahkan kedua ibu jari Anda ke satu sisi - kedua sisi, tetapi satu. Peras sisa jari Anda. Jika Anda sekarang melihat ibu jari sehingga mengarah ke Anda, Anda akan melihat bagaimana punggung berbeda - semua partikel kidal dari sudut pandang ini "berputar" searah jarum jam [putaran diarahkan berlawanan dengan gerakan], dan yang tangan kanan berlawanan arah jarum jam [putaran diarahkan dengan gerak].
Polarisasi tangan kiri melekat pada 50% foton, dan polarisasi tangan kanan melekat pada 50% foton lainnya. Ketika sepasang partikel (atau sepasang partikel-antipartikel) dibuat, putaran mereka (momentum sudut internalnya) selalu dijumlahkan sambil mempertahankan momentum sudut total sistem. Tidak ada yang dapat Anda lakukan untuk mengubah polarisasi partikel tak bermassa seperti foton.
Seringkali, fisikawan tidak peduli dengan putaran Anda - semua hukum dan aturan tetap sama. Bagian atas mematuhi hukum fisika yang sama, terlepas dari apakah itu berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam. Planet mematuhi aturan yang sama, ia berputar mengelilingi sumbu sepanjang atau melawan arah pergerakan di orbit. Sebuah elektron "berputar" yang melewati tingkat energi yang lebih rendah dalam sebuah atom akan memancarkan foton terlepas dari arah putarannya. Dalam hampir semua keadaan, hukum fisika dikatakan simetris kiri-kanan .
"Simetri Cermin" adalah salah satu dari tiga kelas dasar simetri yang dapat diterapkan pada partikel dan hukum fisika. Pada paruh pertama abad ke-20, kami percaya bahwa selalu ada kesimetrian yang dilestarikan, tiga di antaranya adalah:
- Simetri paritas spasial (P), yang menurutnya hukum fisika adalah sama untuk partikel dan pantulan cerminnya.
- Isi simetri ©, yang menurutnya hukum fisika untuk partikel dan antipartikel sama.
- Simetri sehubungan dengan pembalikan waktu (T), yang menurutnya hukum fisika tidak berubah tergantung pada apakah sistem bergerak maju atau mundur dalam waktu.
Menurut semua hukum fisika klasik, serta relativitas umum dan bahkan elektrodinamika kuantum, kesimetrian ini selalu dipertahankan.
Alam tidak simetris untuk partikel / antipartikel, untuk refleksi spekuler partikel, atau semua properti ini sekaligus. Sebelum penemuan neutrino pemecah simetri cermin, hanya partikel yang berinteraksi lemah yang merupakan pemecah simetri P potensial.
Tetapi untuk memastikan bahwa alam semesta benar-benar simetris untuk semua transformasi ini, Anda harus mengujinya dengan segala cara yang memungkinkan. Petunjuk pertama bahwa ada yang salah dengan gambar ini datang pada tahun 1956, ketika kami pertama kali mendeteksi neutrino secara eksperimental. Partikel ini diperkenalkan kembali pada tahun 1930 oleh Wolfgang Pauli dalam bentuk kuantum netral yang kecil, yang mampu membawa energi selama peluruhan radioaktif. Setelah pengumuman seperti itu, Pauli yang sering dikutip mengeluh: “Saya telah melakukan sesuatu yang buruk. Saya mendalilkan keberadaan partikel yang tidak dapat dideteksi. "
Karena diperkirakan bahwa neutrino berinteraksi dengan materi biasa, penampang dapat diabaikan, Pauli tidak melihat cara yang realistis untuk mendeteksinya. Namun, setelah beberapa dekade, para ilmuwan tidak hanya mampu membelah atom - reaktor nuklir menjadi hal biasa. Menurut asumsi Pauli, reaktor ini harus menghasilkan antipartikel neutrino - antineutrino dalam jumlah besar. Sebuah detektor dibangun di dekat reaktor nuklir, dan antineutrino pertama ditemukan pada tahun 1956, 26 tahun kemudian.
Frederick Reines, di sebelah kiri, dan Clyde Cowan, di sebelah kanan, di panel kontrol eksperimen Sungai Savannah, tempat antineutrino elektronik ditemukan pada tahun 1956. Semua antineutrino tangan kanan, dan semua neutrino kidal, tanpa pengecualian. Meskipun Model Standar secara akurat menjelaskan semua ini, tidak ada alasan mendasar untuk itu.
Namun, sesuatu yang menarik diperhatikan tentang neutrino ini: semuanya, tanpa kecuali, tidak kidal, putarannya diarahkan ke sepanjang gerakan mereka. Kemudian kami mulai menemukan antineutrino juga, dan menemukan bahwa semuanya kidal, dengan putaran ke belakang.
Tampaknya pengukuran seperti itu tidak mungkin dilakukan. Jika neutrino (dan antineutrino) begitu sulit dideteksi karena sangat jarang berinteraksi dengan partikel lain, bagaimana kita bisa mengukur putarannya?
Faktanya adalah kita mempelajari spin mereka bukan sebagai hasil pengukuran langsung, tetapi sebagai hasil dari mempelajari sifat-sifat partikel yang muncul setelah interaksi. Inilah yang kami lakukan dengan semua partikel yang tidak dapat kami ukur secara langsung, termasuk boson Higgs, satu-satunya partikel fundamental spin-nol yang dikenal saat ini.
Saluran peluruhan Higgs boson - diamati dan diprediksi oleh Model Standar. Termasuk data terbaru dari eksperimen ATLAS dan CMS. Kebetulan yang luar biasa, tapi juga mengecewakan. Pada tahun 2030-an, LHC akan mengumpulkan data sekitar 50 kali lebih banyak, tetapi keakuratan di banyak saluran yang rusak masih akan tetap di tingkat beberapa persen. Penumbuk baru dapat meningkatkan akurasi dengan banyak lipat, dan mungkin menemukan keberadaan partikel baru.
Bagaimana itu dilakukan?
Higgs boson terkadang meluruh menjadi dua foton, yang spinnya bisa +1 atau -1. Oleh karena itu, putaran Higgs boson dapat menjadi 0 atau 2, karena ini akan menjadi jumlah atau perbedaan putaran foton. Di sisi lain, terkadang boson Higgs meluruh menjadi pasangan quark / antiquark, yang masing-masing memiliki putaran + ½ atau –½. Menjumlahkan dan menguranginya menghasilkan 0 atau 1. Salah satu pengukuran tersebut tidak akan memberi kita putaran boson Higgs, tetapi bersama-sama mereka hanya menyisakan satu nilai yang mungkin, 0.
Teknologi serupa telah digunakan untuk mengukur perputaran neutrino dan antineutrino, dan sebagian besar ilmuwan terkejut bahwa alam semesta dan pantulan spekularnya tidak sama. Jika Anda meletakkan cermin di depan neutrino kidal, pantulannya akan menjadi tangan kanan - seperti pada kasus tangan kiri, yang tampak tepat di cermin. Namun, di Alam Semesta kita tidak ada neutrino kidal, sama seperti antineutrino kidal. Untuk beberapa alasan, alam semesta peduli.
Jika Anda menangkap neutrino atau antineutrino yang bergerak ke arah tertentu, Anda akan melihat bahwa momentum sudut internalnya berputar searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam, tergantung pada apakah itu neutrino atau antineutrino.
Bagaimana memahami semua ini?
Ahli teori Li Zhengdao dan Yang Zhenning mengemukakan gagasan tentang hukum paritas, dan menunjukkan bahwa meskipun paritas tampak sebagai kesimetrian yang sempurna, dipertahankan dalam interaksi yang kuat dan elektromagnetik, ia belum diuji dengan benar pada yang lemah. Interaksi lemah terjadi ketika, selama peluruhan, satu partikel berubah menjadi yang lain - muon berubah menjadi elektron, quark aneh menjadi elektron ke atas, neutron menjadi proton (ketika salah satu quark ke bawah meluruh, berubah menjadi quark atas).
Jika paritas dipertahankan, maka interaksi lemah (semua dan masing-masing) akan sama untuk partikel kidal dan bertangan kanan. Tapi jika dilanggar, interaksi lemah hanya akan terjadi dengan partikel kidal. Kalau saja mungkin untuk memverifikasi ini secara eksperimental ...
Wu Jianxiong, di sebelah kiri, adalah fisikawan eksperimental yang luar biasa dan luar biasa. Dia membuat banyak penemuan penting yang mengkonfirmasi (atau menyangkal) beberapa prediksi teoritis penting. Dia tidak pernah dianugerahi Hadiah Nobel.
Pada tahun 1956, Wu Jianxiong mengambil sampel kobalt-60, isotop radioaktif kobalt, dan mendinginkannya hingga mendekati nol absolut. Diketahui bahwa kobalt-60 diubah menjadi nikel-60 selama peluruhan beta. Interaksi yang lemah mengubah salah satu neutron dalam inti menjadi proton, di mana elektron dan antineutrino dipancarkan. Dengan menerapkan medan magnet ke kobalt, putaran semua atom dapat disejajarkan.
Jika paritas dipertahankan, dimungkinkan untuk mengamati kedua elektron yang dipancarkan - juga dikenal sebagai partikel beta - akan memiliki putaran paralel dan antiparalel. Jika paritas dilanggar, maka semua elektron yang dipancarkan akan menjadi antiparalel. Hasil luar biasa dari eksperimen Wu tidak hanya bahwa semua elektron yang dipancarkan antiparalel, tetapi juga antiparalel secara teoritis. Beberapa bulan kemudian Pauli menulis dalam sebuah surat kepada Victor Weisskopf : "Saya tidak percaya bahwa Tuhan adalah kidal yang lemah."
, – , . , . – «». .
Namun, hanya partikel kidal yang terlibat dalam interaksi lemah - setidaknya dilihat dari pengukuran kami. Dalam hal ini, muncul pertanyaan menarik, yang belum kita lakukan pengukuran: ketika foton berpartisipasi dalam interaksi yang lemah, apakah foton tangan kiri dan kanan berperan di dalamnya, atau hanya foton tangan kiri? Misalnya, quark cantik (b) berubah menjadi quark aneh dalam interaksi lemah, yang biasanya terjadi tanpa partisipasi foton. Namun, sebagian kecil b-quark, kurang dari 1 dalam seribu, akan berubah menjadi s-quark dengan emisi foton. Fenomena itu jarang terjadi, tetapi Anda bisa mempelajarinya.
Diharapkan foton seperti itu harus selalu kidal. Kami percaya bahwa paritas dalam Model Standar berfungsi seperti ini (melanggar interaksi yang lemah). Tetapi jika foton kadang-kadang berubah menjadi tangan kanan, retakan lain akan muncul dalam pemahaman kita tentang fisika saat ini. Di antara prediksi hasil peluruhan tersebut adalah sebagai berikut:
- polarisasi foton yang tidak terduga,
- persentase kasus pembusukan yang berbeda dari yang diharapkan,
- pelanggaran CP-invariance .
Yang terbaik dari semuanya, peluang tersebut dapat dipelajari oleh kolaborasi LHCb di CERN. Baru-baru ini, mereka baru saja menetapkan batas paling ketat yang pernah ada pada kemungkinan foton tangan kanan. Jika grafik di bawah, sebagai hasil percobaan lebih lanjut, melengkung sehingga tidak lagi menyertakan asal koordinat (0, 0), ini berarti kita telah menemukan fisika baru.
Bagian nyata dan imajiner dari koefisien Wilson tangan kanan (C7-prime) dan kidal (C7) dalam fisika partikel harus tetap berada di sekitar titik (0, 0) agar Model Standar tetap benar. Pengukuran berbagai peluruhan yang melibatkan b-quark dan foton membantu menerapkan batasan yang paling ketat pada kondisi ini. Dalam waktu dekat, kolaborasi LHCb mengancam untuk melakukan pengukuran yang lebih akurat.
Kita dapat dengan pasti mengatakan bahwa Semesta idealnya simetris sehubungan dengan bayangan cermin, penggantian partikel oleh antipartikel, arah waktu di mana proses berlangsung - untuk semua interaksi dan gaya, kecuali satu. Dalam interaksi yang lemah, dan hanya di dalamnya, kesimetrian ini tidak dipertahankan. Semua pengukuran yang kami lakukan menunjukkan bahwa Pauli tetap merugi hari ini. 60 tahun setelah penemuan pertama kerusakan simetri, tampaknya interaksi lemah hanya terkait dengan partikel kidal.
Karena neutrino memiliki massa, salah satu eksperimen paling menakjubkan adalah eksperimen di mana kita bisa mendekati kecepatan cahaya. Kemudian kami akan menyalip neutrino kidal sehingga putarannya dari sudut pandang kami akan berubah ke arah sebaliknya. Akankah sebuah partikel tiba-tiba menunjukkan sifat antineutrino tangan kanan? Atau akankah ia menjadi kidal tetapi masih berperilaku seperti neutrino? Apa pun karakteristik yang dimilikinya, ia dapat mengungkapkan kepada kita informasi baru tentang sifat dasar Alam Semesta. Sampai hari itu, kesempatan terbaik kita untuk mencari tahu apakah alam semesta benar-benar kidal seperti yang terlihat bagi kita adalah pengukuran tidak langsung. Eksperimen seperti itu sekarang sedang berlangsung di CERN, di mana mereka mencari peluruhan beta tanpa neutrino ganda .