Czy antywszechświat istnieje?

Balon projektu badawczego ANITA (ang. Antarctic Impulsive Transient Antenna) unosi się powoli nad niemal niekończącą się pokrywą lodową ­Antarktydy, a imponujący zestaw przymocowanych do niego anten nasłuchuje wieści z kosmosu: neutrin. To cząstki, które są elektrycznie neutralne, bardzo małe i poruszają się prosto­liniowo. Uwolnione w wyniku reakcji termojądrowych we wnętrzu Słońca i innych gwiazd, podróżują z prędkością niemal równą prędkości światła przez nasz wszechświat. Przez powierzchnię wielkości jednogroszówki w każdej sekundzie przenikają miliardy z nich. Anteny nie są wprawdzie w stanie wykryć ich bezpośrednio (neutrina wyjątkowo rzadko wchodzą w interakcję z inną materią), ale gdy np. napotkają jądra atomowe w antarktycznej pokrywie lodowej, niektóre z nich wyzwalają maleńki błysk promieniowania, impuls radiowy.

"Naukowcy rozumieją ten proces, nie ma w nim już nic nieznanego"

– wyjaśnia fizyk prof. Peter Gorham, który kieruje badaniami związanymi z projektem ANITA. Podczas pierwszych lotów realizowanych w jego ramach w 2014 roku, w poszukiwaniu właśnie tych sygnałów skanowany był lód. Udało się wtedy zarejestrować tylko pozornie nieistotny szum. Dopiero kiedy uczeni pozwolili balonowi wzbić się po raz kolejny, ponad rok po pionierskiej próbie, postanowili przeanalizować te zarejestrowane w tle odgłosy – i w ten sposób udało im się zrobić wielki krok w kierunku zrozumienia Wielkiego Wybuchu. Ale po kolei. 

Nie ma prostych rozwiązań

Peter Gorham jest profesorem na Uniwersytecie Hawajskim, kierownikiem zespołu badawczego ds. projektu ANITA oraz cenionym fizykiem, którego pracę wspiera NASA. Gdy on i jego koledzy wypuścili balon na krystalicznie czyste niebo nad Antarktydą, a potem zaczęli analizować pochodzenie szumu zarejestrowanego przez anteny, nie mieli jeszcze pojęcia, że ich odkrycie wywoła burzliwy spór wśród fizyków z całego świata. To, co interpretowali jako szum, było raczej... hukiem eksplozji. Wyzwoliły go dwa neutrina. Ale nie pochodziły one z kosmosu, jak oczekiwali, lecz z wnętrza naszej planety. Dosłownie wyskoczyły z lodu! Jak to możliwe?

Naukowcy wiedzą, że większość neutrin przenika przez Ziemię nie­postrzeżenie. Czy zatem zarejestrowane cząstki mogły po prostu „wejść” w naszą planetę po drugiej stronie i wydostać się przez lód antarktyczny? Peter Gorham i jego zespół szybko doszli do wniosku, iż to nie może być rozwiązanie zagadki. Oszacowali prawdopodobieństwo, że dwa neutrina jednocześnie obiorą tę samą drogę, wnikną niezauważone w Ziemię i opuszczając ją, uderzą w lodzie antarktycznym w jądro atomu, jako bardzo niskie. Profesor Derek Fox z Uniwersytetu Stanu Pensylwania obliczył szansę, że ANITA zarejestruje dwa neutrina, które podróżowały razem przez naszą planetę, jako jedną na milion.

"Nie wszyscy czuli się komfortowo z tą hipotezą" – śmieje się prof. Gorham.

Wśród specjalistów z całego świata rozgorzała gorąca dyskusja, pojawiły się liczne teorie na temat pochodzenia tajemniczych gości – i wszystkie zostały szybko odrzucone. Profesor Gorham i jego zespół również byli bezradni. "Już dawno wyczerpały się nam proste rozwiązania" – przyznaje amerykański ekspert. 

Dla prof. Neila Turoka z kanadyjskiego Instytutu Fizyki Teoretycznej Perimeter w Waterloo sprawa jest jednak jasna. Jedyną formą neutrina zdolną do wniknięcia w Ziemię i powodującą takie poruszenie w momencie jej opuszczania jest antyneutrino. Czyli neutrino, które nie obraca się w lewo, lecz jego lustrzane, bliźniacze odbicie prawoskrętne.

Historia Wielkiego Wybuchu

Spektakularne w tej koncepcji jest to, że prawoskrętne neutrina muszą – jak obliczył prof. Turok wraz ze swoim zespołem – należeć do wąskiego kręgu cząstek powstałych podczas Wielkiego Wybuchu. Do tej pory nie udawało się jednak znaleźć neutrin prawo­skrętnych i były one uważane za obiekty czysto teoretyczne. W tym miejscu do gry wkraczają odkrycia projektu ANITA, gdyż obliczona masa antyneutrina odpowiada masie dwóch zarejestrowanych cząstek z dokładnością do ostatniego miejsca po przecinku. Ale to nie wszystko: zdaniem wielu fizyków antyneutrina są najlepszymi kandydatami na „cegiełki” ciemnej materii. Dzieje się tak dlatego, że ich masa również tutaj idealnie pasuje, a poza tym neutrina nie wchodzą w interakcję ze światłem, są ciemne. To ustalenie może zakończyć poszukiwania, które od dziesięcioleci ­spędzają fizykom sen z powiek. 

Polowanie na ciemną materię przypomina bowiem szukanie igły w stogu siana. Fizycy są pewni, iż ta nie­odkryta dotąd tajemnicza substancja stanowi ok. 24% masy–energii naszego wszechświata. Na jej obecności opierają się fundamentalne prawa fizyki. Jeśli więc antyneutrina są rzeczywiście częścią ciemnej materii, historię Wielkiego Wybuchu, jaką znamy, być może wkrótce trzeba będzie napisać na nowo...

„Coś odkryliśmy”

Obliczając istnienie prawoskrętnego neutrina, prof. Turok po raz pierwszy zastosował do Wielkiego Wybuchu jedno z najbardziej podstawowych praw fizyki – symetrię CPT (ładunku, przestrzeni i czasu). Główne założenie tego twierdzenia brzmi: wszystko podlega absolutnej symetrii. Wszystko ma lustrzany odpowiednik składający się z antymaterii, łącznie z naszym światem i wszechświatem. Ale dotąd ten ostatni wydawał się wymykać temu prawu. Dlaczego? Otóż lustrzane odbicie materii (antymateria) znajduje się w naszym uniwersum w znikomych ilościach – mimo że zakłada się, iż materia oraz antymateria musiały powstać w równych częściach w czasie Wielkiego Wybuchu. Ten brak równowagi stanowi jedną z kluczowych zagadek fizyki. Gdyby antymateria i materia znalazły się w naszym wszechświecie po Big Bangu w równych proporcjach, uległby on samozniszczeniu. Tak bowiem działają na siebie antymateria i materia. Z tego powodu wielu fizyków zakładało, że symetria CPT zaczęła obowiązywać dopiero po Wielkim Wybuchu. Miałby on być przy tym skrajnym wyjątkiem od tego prawa. Ale dowód na istnienie prawo­skrętnego neutrina mógłby teraz postawić to założenie na głowie. 

Gdyby można było udowodnić istnienie antyneutrin jako części ciemnej materii, oznaczałoby to, iż symetria CPT obowiązywała już w chwili Big Bangu. Profesor Turok jest pewien: jeśli przyjmiemy, iż symetria CPT, z której założeń wynika, że każda cząstka ma swoje lustrzane odbicie, wpłynęła na Wielki Wybuch, to w jego następstwie musiały powstać dwa uniwersa – nasz wszechświat, który składa się w przeważającej mierze z materii, i jego lustrzane odbicie, antywszech­świat. Co prawda nie zostało to dotąd udowodnione, lecz prof. Turok jest dobrej myśli:

Musimy tylko znaleźć odpowiedzi na kilka ostatnich pytań. Wówczas teoria antywszech­świata będzie najlepszą koncepcją wyjaśniającą dane zarejestrowane przez system ANITA.

Profesor Gorham jest bardziej sceptyczny: "Moim zdaniem jeszcze nie udowodniliśmy istnienia antywszech­świata. Choć z drugiej strony, na razie nikomu nie udało się też obalić tej teorii". Niemniej jednak uważa, iż jesteśmy na właściwej drodze. On i jego zespół analizują obecnie dane z czwartego lotu systemu ANITA, a fizycy z całego globu niecierpliwie wyglądają ich wyników. Dla wszystkich oczekujących na publikację prof. Gorham ma sensacyjną wiadomość:

Wprawdzie jeszcze dokładnie nie wiemy co, ale coś odkryliśmy.

Czym jest antywszechświat?

Dotąd nie udowodniono istnienia antywszechświata, ale wielu naukowców jest pewnych, że im się to uda. Są oni przekonani, iż musi występować kosmos, który jest całkowitą odwrotnością naszego. Uniwersum, w którym wszystko wygląda jak lustrzane odbicie znanej nam rzeczywistości i które nie składa się z materii, lecz z antymaterii. Tak więc wszechświat i antywszechświat funkcjonują równolegle. Jednak gdy nasz wszechświat oddala się w czasie od Wielkiego Wybuchu, antywszechświat z naszej perspektywy się do niego zbliża. Antykosmos mógłby więc być odpowiedzią na pytanie, gdzie znajduje się cała antymateria (nie mylić z ciemną materią), która musiała powstać w trakcie Wielkiego Wybuchu – ale której najwyraźniej próżno szukać w naszym kosmosie. To nie koniec: jeśli istnieją dwa lustrzane uniwersa, to nie jest oczywiste, w którym z nich się znajdujemy. Teoria prof. Turoka mówi, że to, czy jesteśmy zbudowani z materii czy z antymaterii, zależy od perspektywy obserwatora. Zgodnie z tą koncepcją także czas jest kwestią względną. Dla obu stron wygląda to tak, iż to ten drugi wszechświat zmierza w kierunku Wielkiego Wybuchu.