Stebėti veidrodinės visatos, liečiančios mūsiškę, ženklai

Iš pirmo žvilgsnio, viskas atrodo įprastai. Ramiai tiksi sieninis laikrodis, už lango gatve pravažiuoja automobiliai, skaitomo pasakojimo iliustracijos tokios pat patrauklios. Bet kažkas negerai. Laikrodis eina atgal. Automobiliai važiuoja ne ta kelio puse. Skaitomas straipsnis parašytas . Staiga paaiškėja – žvelgiame į savo atspindį.

Neįmanomas užveidrodinis pasaulis gali atrodyti netikras. Bet Leah Broussard mano, kad paralelios visatos, kuriose viskas apversta, gali būti netgi labai tikros. Kartu su kolegomis iš Oak Ridge nacionalinės laboratorijos, ji medžioja visatą, kuri identiška mūsiškei, bet joje veidrodiniai atomai, veidrodinės molekulės, veidrodinės žvaigždės ir planetos, ir net veidrodinė gyvybė. Jeigu tokia visata egzistuoja, mums pažįstamą visatą priglaudusiame erdvės ir lauko audinyje ji suformuotų savo realybės burbulą, o kai kurios dalelės galėtų tarp šių visatų šokinėti.

Po dešimtmečius trukusių jos egzistavimo užuominų paieškų, rengiami pirmieji eksperimentai, kuriais norima pasiekti kitą veidrodžio pusę. Tokios veidrodinės visatos radimas ne tik transformuotų mūsų požiūrį į realybę, bet ir galėtų atsakyti mokslininkus ilgai kamuojančius klausimus apie mūsų pačių visatą. „Tokio atradimo implikacijos būtų stulbinamos,“ sako Broussard.

Naujų pasaulių mokslininkai yra atradę jau ir anksčiau. 1928 metais Paulis Diracas suprato, kad kvantinės mechanikos formulės nedraudžia egzistuoti dalelėms, kurių savybės skyrėsi nuo visų jau žinomų. Jis prognozavo, kad visatoje egzistuoja visa tokių dalelių šeima, kurios identiškos žinomoms, tik priešingo elektros krūvio. Šis paslėptas antimaterijos pasaulis padvigubino fundamentaliųjų visatos dalelių skaičių.

Ir tai dar ne viskas. 1933 metais šveicaras astronomas Fritz Zwicky pastebėjo, kad galaktikų spiečiai sukasi taip, lyg juos veiktų galingesnė gravitacija, nei gali suteikti gretima regima materija.

Aštuntajame dešimtmetyje JAV astronomė Vera Rubin tą patį efektą pastebėjo įvairiose galaktikose ir jų spiečiuose. Dabar manoma, kad papildomą trauką sukeliančios „tamsiosios“ materijos ir įprastos medžiagos santykis yra 5:1. Bet šios trūkstamos medžiagos niekada nesame regėję, nepaisant dešimtmečius trunkančių tiesioginių ir netiesioginių paieškų.

Antimaterija ir tamsioji materija tapo įprastais ir dažnai linksniuojamais mokslo terminais. Bet, ko gero, ambicingiausias naujasis pasaulis šešėliuose pratūnojo 60 metų. 1956 metais, kinų fizikai Tsung Dao Lee ir Chen Ning Yang pasiūlė įspūdingą spėjimą apie fizikos veikimą. Lig tol buvo manoma, kad visi fizikiniai procesai turi paklusti tam tikrai fundamentaliai simetrijai, tai yra, kad jie turi likti tokie pat, nepriklausomai nuo jų aplinkos. Pavyzdžiui, kamuoliuko reakcija į Žemės gravitaciją nepriklauso nuo jo spalvos.

Pagrindinė dalelių fizikos simetrija buvo paritetas, reikalavęs, kad viskas turi likti taip pat, net visas pozicijas ir orientacijas pakeitus veidrodiniais jų atvaizdais. Lee su Yangu pasiūlė eksperimentinį pariteto pažeidimo patikrinimo bandymą. Kai kinų kilmės amerikietė fizikė Chien-Shiung Wu sukūrė įrangą ir eksperimentą atliko, paaiškėjo, kad paritetas kartais gali būti pažeidžiamas. Tai buvo toks svarbus atradimas, kad Lee ir Yang (tačiau ne Wu) jau kitais metais buvo apdovanoti fizikos Nobelio premija.

Lee ir Yang taip pat pateikė – galima sakyti, nuo lubų – paaiškinimą. Jie svarstė, kad iš tiesų paritetas išsaugomas ir tik atrodo pažeidžiamas, nes tematome pusę vaizdo. „Jie iškėlė mintį, kad mūsų visatoje paritetas atrodo pažeidžiamas tik todėl, kad kita pariteto dalis pažeidžiama kitoje visatoje priešinga kryptimi,“ sako Zurab Berezhiani iš L'Aquila universiteto Italijoje. „Tad, bendrai jis išlaikomas.“

Tuo metu ši „veidrodinės materijos“ pasaulio koncepcija neišpopuliarėjo, bet susidūrę su neišsprendžiamomis fundamentaliųjų dalelių fizikos probelemomis, tokie tyrėjai kaip Broussard ir Berezhiani vėl į ją atsigręžė. Tiesą sakant, jau gal netgi esame regėję jos egzistavimo ženklus, pažymi Berezhiani.

Jų manymu, aiškiausiai jos pėdsakai regimi neutronuose, vienoje iš trijų atomus sudarančių dalelių. Neutronai už atomo branduolio ribų ilgainiui suyra į protoną ir elektroną – beta skilimas. Ilgai bandyta nustatyti, per kiek laiko šie vadinamieji laisvi neutronai suskyla, ir rezultatai būdavo gaunami keistai prieštaringi.

Iš esmės yra du būdai išmatuoti neutronų gyvavimo trukmę – butelinis ir spindulinis. Butelio eksperimentas gan paprastas. Silpnu magnetiniu lauku neutronai laikomi vadinamojoje butelinėje gaudyklėje. Po tam tikro laiko suskaičiuojami likę neutronai. Šiuo metodu gaunama neutronų gyvavimo trukmė yra vidutiniškai 14 minučių ir 39 sekundės.

Tuo tarpu spinduliniu metodu skaičiuojami protonai, radęsi iš branduolinio reaktoriaus sklindančių neutronų sraute. Čia protonai gali atsirasti tik kaip neutronų skilimo produktai. Remiantis šio spindulio intensyvumu paremtais skaičiavimais, neutronai gyvuoja 14 minučių ir 48 sekundes. O tai jau kelia problemą. „Šie du matavimai turėtų būti vienodi,“ sako Berezhiani.

„Jau gal matėme jos egzistavimo ženklus neutronų skilime“

Iš pradžių fizikai manė, kad šias papildomas 9 sekundes galima nurašyti kaip eksperimento paklaidą. Bet tobulėjant techninėms galimybėms ir siaurėjant matavimo paklaidoms, užtikrintumas matavimo rezultatų tikslumu tik augo, o skirtumas nemenko. Atrodo, yra dvi skirtingos neutronų gyvavimo trukmės.

Tai galėtų vykti, jei egzistuoja veidrodinis pasaulis. Pagrindinė šių modelių savybė – tarp šių dviejų pasaulių vykstanti neutronų osciliacija, sako Berezhiani. „Per magnetinį lauką pereinančių neutronų oscikliacijos tikimybė auga,“ sako Berezhiani. Stulbinama prielaida – neutronai mūsų visatoje dirba ne visu etatu. Likusį laiką jie praleidžia paralelinėje realybėje, kur jų išskiriami protonai lieka nepastebėti.

Jei vienas iš 100 neutronų prieš išspinduliuodamas protoną persikeltų į veidrodinį pasaulį, tai paaiškintų ilgesnę matuojamą neutronų gyvavimo trukmę spindulinių eksperimentų magnetiniame lauke. „Tai labai natūralus paaiškinimas,“ dėsto Berezhiani.

Juodieji veidrodžiai

Ir tai dar ne visos veidrodinio sektoriaus galimybės. „Naudojant tą patį modelį su tais pačiais parametrais, galima taip pat natūraliai paaiškinti daug kitų paslapčių,“ sako Wanpeng Tan iš Notre Dame universiteto Indianoje (žr. „ Jie tai atlieka veidrodžiais “). Alternatyvi visata netgi galėtų suteikti prieglobstį tamsiajai materijai ir paaiškintų, kodėl ją taip sunku aptikti. „Veidrodiniai neutronai atrodo kaip geri tamsiosios materijos kandidatai,“ sako Rabindra Mohapatra, fizikos teoretikas iš Marylando universiteto. „Tai labai vilioja.“

Dar labiau tai vilioja, sužinojus, kiek veidrodinės materijos turėtų egzistuoti. Kad atitiktų turimus ankstyvos visatos vystymosi modeIius, veidrodinis sektorius turėtų būti gerokai vėsesnis už mūsiškį. Jei karščio per daug, dalis veidrodinės materijos būtų prasprūdusi ir padidinusi mūsų visatos dalelių gravitacinę trauką ir mūsų visatos istorija būtų pasukusi kita linkme. Tuo tarpu dalelėms iš mūsų visatos dėl šio temperatūrų skirtumo į veidrodinę visatą persikelti daug lengviau, paliekant mūsų pasaulį visam laikui. Geriausiai išvystytuose veidrodiniuose modeliuose penkioms veidrodinėms dalelėms tenka viena įprasta dalelė: būtent tokį tamsiosios ir „normalios“ materijos santykį rodo kosmologiniai matavimai.

Negana to, kadangi iš likusių dalelių susiformavo žvaigždės, planetos ir, galiausiai, žmonės, atrodo logiška tikėtis ir veidrodinės gyvybės versijos – ir gerokai daugiau, nei mūsų regimos. „Veidrodinėje visatoje tai vyktų penkis kartus dažniau,“ sako Berezhiani. Kas žino, gal netgi yra veidrodinių žmonių rasė, besistengianti išsiaiškinti, kodėl jų tamsiosios materijos yra penkis kartus mažiau, nei normalios materijos.

Puikios teorijos, bet rasti tvirtų jų įrodymų tikrai nėra lengva. Mūsų visatos veidrodinis sektorius trimis iš keturių – elektromagnetine, stipriąja ir silpnąja – fundamentalių sąveikų niekaip nesąveikauja. „Jis su mumis nesąveikaus niekaip kitaip, tik gravitaciškai, o gravitacija yra pernelyg sillpna, kad būtų galima su ja eksperimentuoti,“ sako Yuri Kamyshkov, veidrodinę materiją tyrinėjantis Tennessee'io universitete Knoxville'yje.

Atsakymą galėtų padėti rasti geresni neutronų gyvavimo trukmės nustatymo eksperimentai. 2012 metais Berezhiani publikavo straipsnį, kuriame teigiama, kad ankstesniuose eksperimentuose, kuriuose neutronai sulaikomi kintamais magnetiniais laukais, pastebėti veidrodinius neutronus atitinkantys signalai. Jis iškėlė hipotezę, kad šiek tiek veidrodinės materijos per mūsų pasaulį velka Žemės sukimasis. Veidrodinės dalelės, turinčios krūvį – tarkime, veidrodiniai elektronai – sukurtų veidrodinius magnetinius laukus, ir šie padidintų tikimybę neutronams osciliuoti per mūsų visatos įprastus magnetinius laukus.

Ši idėja suintrigavo Klausą Kirchą ir jo kolegas iš Paul Scherrer instituto Villigene, Šveicarijoje. Signalus jie tikrino jautresniais aparatais, kuriais įmanoma patikrinti galimybę, kad veidrodiniai magnetiniai laukai paveikia neutronų gyvavimo trukmę butelio tipo gaudyklėje.

Kircho manymu, teiginys buvo menkai tikėtinas, bet pakankamai įdomus, kad jį vertėtų patikrinti. „Eksperimentuotojų požiūris toks – jei tai neatrodo visiškai kvaila, ar įmanoma tai patikrinti?“ sako jis. „Iš tiesų netikiu, kad signalai yra, ir sukūrėme eksperimentą, galintį įrodyti jų nebuvimą, ir žiūrėsime, kas iš to pavyks.“ Eksperimente buvo naudojami skirtingo stiprumo magnetiniai laukai ir žiūrima ar tai paveiks neutronų kiekį gaudyklėje. Kirchas sako, kad eksperimentas jau užbaigtas, bet komanda tebeanalizuoja duomenis.

Broussard įdėmiai tai stebi. Kartu su kolegomis iš Oak Ridge'o, ji rengiasi patikrinti Berezhiani'o spėjimus apie neutronų osciliacijas sukeliančius magnetinius laukus specialiai šiam tikslui sukurtu ekperimentu, kuris turėtų suteikti daugiau detalių ir kontrolės, nei aparatas Šveicarijoje.

„Atrodo logiška tikėtis ir veidrodinės gyvybės versijos”

Eksperimento idėja gan paprasta: neutronų spinduliu apšaudoma stora siena, kurios jie negali įveikti. Jeigu už jų esantis neutronų detektorius kokius nors neutronus užfiksuos, taip gali būti, jeigu jie tiesiog „nepastebėjo“ sienos, osciliavę į veidrodinę visatą, ir detektorius juos užfiksavo sugrįžusius atgal. „Aptinkami tik osciliuojantys ir grįžę į mūsų visatą neutronai,“ sako Broussard.

Keisdama magnetinį lauką abiejose sienos pusėse, Broussard nori pažiūrėti, ar jai pavyks rasti magnetinio lauko stiprumą ir formą, kuri padidintų per sieną pralekiančių neutronų skaičių. „Jei mano skaičiavimai teisingi, kažkas turėtų būti matoma,“ sako Berezhiani.

Kiti atspindžiai

Aparatas sukonstruotas ir parengtas veikti. Broussard derasi su neutronų srauto operatoriais Oak Ridge, iškodama laiko, kada jie galėtų įdiegti eksperimentą spindulio kelyje ir atlikti bandymus. Nors ir jaudindamasi, pirmojo bandymo metu kokio nors proveržio ji nesitiki – niekas nežino, kokie magnetiniai laukai užtikrintų pakankamą osciliacijų tikimybę. „Nulinis rodiklis man visiškaI nebūtų netikėtas,“ sako ji. Jai svarbiausia susiaurinti galimą efektų ruožą.

Bet jei Kircho komanda savo duomenyse išvys signalą, atitinkantį veidrodinių neutronų egzistavimą, Broussard ir jos komanda galėtų nepriklausomai ieškoti atitinkamų magnetinių laukų. Jei neutronų skaičius nesant magnetinio lauko skirsis nuo skaičiaus esant magnetiniam laukui, tai rodytų veidrodinės visatos egzistavimą.

Su Broussard bendradarbiaujantis Kamyshkovas mano, kad artinamės prie svarbaus taško. „Tikimybė, kad ką nors atrasime, menka, bet tai yra paprastas ir nebrangus eksperimentas. Teigiamas jo rezultatas sukeltų fizikos revoliuciją, tad privalome pabandyti,“ svarsto jis.

Net jei šie eksperimentai veidrodinius neutronus aptiks, dar reikės pritaikyti juos tamsiosios materijos vaidmeniui – ir užpildyti visą likusį veidrodinį sektorių. „Tarčiau, kad tai – geras pirmasis žingsnis, bet neišspręstų iššūkių dar likę nemažai,“ sako Broussard.

O jei veidrodinių neutronų nerasime? Broussard tikra, kad dėl to veidrodinė visata nesugrius. „Teoretikai geba labai mikliai išvengti eksperimentuotojų jiems paliekamų spąstų,“ pastebi ji. „Visados būna kas nors, pasirengęs šią idėją palaikyti.“ Bet turint omenyje, kiek problemų dabartinėmis teorijomis fizikams išspręsti nepavyko, žiūrėjimą į veidrodį jiems galima atleisti.