T2K, pikk baasjoon neutriino Jaapanis läbiviidud võnkekatse on hiljuti teatanud vaatlusest, kus nad on avastanud tugevaid tõendeid erinevuste kohta põhiliste füüsikaliste omaduste vahel. neutrinos ja vastava antiaine vaste, anti-neutriinode oma. See tähelepanek vihjab teaduse ühe suurima müsteeriumi selgitamisele – seletuse seletus selle domineerimisele küsimus aasta Universum üle antiaine ja seega ka meie olemasolu.
. küsimus-antiaine asümmeetria Universum
Kosmoloogia teooria kohaselt tekkisid osakesed ja nende antiosakesed Big-Bangi ajal kiirgusest paarikaupa. Antiosakesed on antiained, millel on peaaegu samad füüsikalised omadused kui neil küsimus osakesed, välja arvatud elektrilaeng ja magnetilised omadused, mis on vastupidised. Siiski, Universum eksisteerib ja koosneb ainult mateeriast, näitab, et Big-Bangi käigus katkes mingi aine-antiaine sümmeetria, mistõttu paarid ei saanud taas täielikult hävitada tekitades kiirgust. Füüsikud otsivad endiselt CP-sümmeetria rikkumise allkirju, mis omakorda võib seletada aine-antiaine sümmeetria katkemist varases staadiumis. Universum.
CP-sümmeetria on kahe erineva sümmeetria – laengukonjugatsiooni (C) ja pariteedi pööramise (P) – korrutis. Laengkonjugatsioon C, kui seda rakendatakse laetud osakesele, muudab selle laengu märki, nii et positiivselt laetud osake muutub negatiivselt laetuks ja vastupidi. Neutraalsed osakesed jäävad C toimel muutumatuks. Pariteedi pööramise sümmeetria muudab osakese, millele see mõjub, ruumilised koordinaadid ümber – nii saab paremakäeline osake vasakukäeliseks, sarnaselt sellele, mis juhtub peegli ees seismisel. Lõpuks, kui CP mõjutab parempoolset negatiivselt laetud osakest, muundatakse see vasakukäeliseks positiivselt laetud osakeseks, mis on antiosake. Seega küsimus ja antiaine on omavahel seotud CP-sümmeetria kaudu. Seega peab vaadeldud genereerimiseks olema CP-d rikutud aine-antiaine asümmeetria, millele Sahharov juhtis esimest korda tähelepanu 1967. aastal (1).
Kuna nii gravitatsiooniline, elektromagnetiline kui ka tugev vastastikmõju on CP-sümmeetria korral muutumatud, on looduses CP-rikkumiste otsimiseks ainus koht kvarkide ja/või leptonite puhul, mis interakteeruvad nõrga interaktsiooni kaudu. Seni on CP-rikkumist kvarkide sektoris eksperimentaalselt mõõdetud, kuid see on liiga väike, et tekitada hinnangulist asümmeetriat. Universum. Seetõttu pakub füüsikutele erilist huvi leptonisektori CP rikkumise mõistmine, et mõista selle olemasolu. Universum. CP-rikkumist leptonisektoris saab kasutada aine-antiaine asümmeetria selgitamiseks protsessi kaudu, mida nimetatakse leptogeneesiks (2).
Miks on neutriinod olulised?
neutrinos on looduse väikseimad massiivsemad osakesed, millel puudub elektrilaeng. Olles elektriliselt neutraalne, neutrinos neil ei saa olla elektromagnetilist vastasmõju ega ka tugevat vastastikmõju. Neutriinode väike mass on suurusjärgus 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), seetõttu on ka gravitatsiooniline vastastikmõju väga nõrk. Ainus viis neutrinos võib teiste osakestega suhelda lühiajaliste nõrkade vastasmõjude kaudu.
See nõrgalt interakteeruv omadus neutrinosaga muudab need huvitavaks sondiks kaugel asuvate astrofüüsikaliste objektide uurimiseks. Ehkki tähtedevahelises keskkonnas leiduv tolm, gaasiosakesed ja taustkiirgus võivad isegi footoneid varjata, hajutada ja hajutada, neutrinos võivad enamasti takistamatult läbida ja jõuda Maa-põhiste detektoriteni. Praeguses kontekstis, olles nõrgalt interakteeruv, võib neutriino sektor olla elujõuline kandidaat CP rikkumisele kaasaaitamiseks.
Neutriino võnkumine ja CP-rikkumine
Neutriinosid (𝜈) on kolme tüüpi – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 ja 𝜈𝜏 – iga leptoniga seotud üks maitsestab elektroni (e), müoni (𝜇) ja tau (𝜏). Neutriinosid toodetakse ja tuvastatakse maitseomadustena nõrkade interaktsioonide kaudu koos vastava maitsega laetud leptoniga, samal ajal kui nad levivad kindla massiga olekutena, mida nimetatakse massiomadusteks. Seega muutub allikas kindla maitsega neutriinokiir avastamispunktis pärast teatud teepikkuse läbimist kõigi kolme erineva maitse seguks – erinevate maitseseisundite osakaal sõltub süsteemi parameetritest. Seda nähtust tuntakse neutriinovõnkumisena, mis muudab need pisikesed osakesed väga eriliseks!
Teoreetiliselt saab iga neutriino maitseomadusi väljendada kõigi kolme massi-omaseisundi lineaarse kombinatsioonina ja vastupidi ning segunemist saab kirjeldada ühtse maatriksiga, mida nimetatakse Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) maatriksiks (3,4). ,3). Seda XNUMX-dimensioonilist ühtset segamismaatriksit saab parametriseerida kolme segamisnurga ja kompleksfaasiga. Nendest keerulistest faasidest on neutriino võnkumine tundlik ainult ühe faasi suhtes, mille nimi on 𝛿𝐶𝑃ja see on ainulaadne CP-rikkumise allikas leptonisektoris. 𝛿𝐶𝑃 võib võtta mis tahes väärtuse vahemikus –180° ja 180°. Kuigi 𝛿𝐶𝑃=0,±180° tähendab, et neutriinod ja antineutriinod käituvad identselt ja CP on säilinud, 𝛿𝐶𝑃=±90° näitab maksimaalset CP rikkumist standardmudeli leptonisektoris. Iga vahepealne väärtus näitab CP-i rikkumist erineval määral. Seega mõõtmine 𝛿𝐶𝑃 on neutriinofüüsika kogukonna üks olulisemaid eesmärke.
Võnkeparameetrite mõõtmine
Tuumareaktsioonide käigus tekib ohtralt neutriinosid, nagu Päikesel, teistel tähtedel ja supernoovadel. Neid toodetakse ka Maa atmosfääris suure energiaga kosmiliste kiirte koosmõjul aatomituumadega. Neutriinovoost aimu saamiseks läbib meid igas sekundis umbes 100 triljonit. Kuid me isegi ei mõista seda, kuna nad suhtlevad väga nõrgalt. See muudab neutriinode omaduste mõõtmise neutriinode võnkekatsete ajal tõeliselt keeruliseks tööks!
Nende tabamatute osakeste mõõtmiseks on neutriinodetektorid suured, kilotonnise massiga ja katsed võtavad statistiliselt oluliste tulemuste saavutamiseks mitu aastat. Nende nõrkade interaktsioonide tõttu kulus teadlastel umbes 25 aastat, et tuvastada eksperimentaalselt esimene neutriino pärast seda, kui Pauli postuleeris nende olemasolu 1932. aastal, et selgitada energia-impulsi säilimist tuuma beeta-lagunemisel (näidatud joonisel (5)).
Teadlased on mõõtnud kõik kolm segamisnurka enam kui 90% täpsusega 99.73% (3𝜎) kindlusega (6). Kaks segamisnurka on suured, et selgitada päikese- ja atmosfäärineutriinode võnkumisi, kolmas nurk (nimega 𝜃13) on väike, kõige sobivam väärtus on ligikaudu 8.6° ja seda mõõdeti eksperimentaalselt alles hiljuti 2011. aastal Hiinas Daya-Bay reaktori neutriinokatses. PMNS-maatriksis on faas 𝛿𝐶𝑃 esineb ainult kombinatsioonis sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, eksperimentaalse mõõtmise tegemine 𝛿𝐶𝑃 raskusi.
Parameetrit, mis kvantifitseerib CP rikkumise suurust nii kvargi kui ka neutriinosektoris, nimetatakse Jarlskogi invariandiks 𝐽𝐶𝑃 (7), mis on segamisnurkade ja CP-d rikkuva faasi funktsioon. Kvargisektori jaoks 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , samas kui neutriinosektori jaoks 𝐽𝐶𝑃~0.033 patt𝛿𝐶𝑃ja seega võib see olla kuni kolm suurusjärku suurem kui 𝐽𝐶𝑃 kvargisektoris, olenevalt 𝛿 väärtusest𝐶𝑃.
T2K tulemus – vihje aine-antiaine asümmeetria mõistatuse lahendamisele
Pika algtaseme neutriinovõnkekatses T2K (Jaapanis Tokai-Kamioka) genereeritakse Jaapani prootonkiirendaja uurimiskompleksis (J-PARC) neutriino- või antineutriinokiired ja need tuvastatakse Super-Kamiokande vee-Cerenkovi detektoris. pärast 295 km läbimist läbi Maa. Kuna see kiirendi võib tekitada mõlemat 𝜈 kiirte𝜇 või selle antiosakest 𝜈̅𝜇 ja detektor suudab tuvastada 𝜈𝜇,𝜈𝑒 ja nende antiosakesed 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, neil on tulemused neljast erinevast võnkeprotsessist ja nad saavad teha analüüsi, et saada võnkeparameetritele tõhusaid piire. Küll aga CP rikkumise faas 𝛿𝐶𝑃 ilmub ainult protsessi käigus, kui neutriinod muudavad maitset, st võnkumistes 𝜈𝜇→𝜈𝑒 ja 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – mis tahes erinevus nendes kahes protsessis viitaks leptonisektori CP-rikkumisele.
Hiljutises teatises on T2K koostöö teatanud neutriinosektori CP rikkumise huvitavatest piiridest, analüüsides aastatel 2009 ja 2018 kogutud andmeid (8). See uus tulemus välistas umbes 42% kõigist 𝛿 võimalikest väärtustest𝐶𝑃. Veelgi olulisem on see, et juhtum, kus CP on konserveeritud, on 95% usaldusväärsusega välistatud ja samal ajal näib looduses eelistatud maksimaalne CP rikkumine.
Kõrgenergia füüsika vallas on uue avastuse väitmiseks vajalik 5 (st 99.999%) usaldusväärsus, mistõttu on CP-d rikkuva faasi avastamiseks piisava statistika ja suurema täpsuse saamiseks vajalikud järgmise põlvkonna katsed. Kuid hiljutine T2K tulemus on märkimisväärne edasiminek meie arusaamise suunas aine ja antiaine asümmeetriast Universum neutriinosektori CP-rikkumise kaudu esimest korda.
***
viited:
1. Sahharov, Andrei D., 1991. ''Universumi CP invariantsi, C asümmeetria ja barüoni asümmeetria rikkumine''. Nõukogude füüsika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Leptogeneesi ja neutriinoomaduste tutvustus. Kaasaegne füüsika, 53. köide, 2012 – 4. väljaanne, lk 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. ja Sakata S., 1962. Märkused elementaarosakeste ühtse mudeli kohta. Progress of Theoretical Physics, 28. köide, 5. väljaanne, november 1962, lk 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. PÖÖRDBEETAPROTSESSID JA LEPTONILAANDUSE MITTESÄILITAMINE. Journal of Experimental and Theoretical Physics (NSVL) 34, 247-249 (jaanuar, 1958). Saadaval Internetis http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Sissepääs 23. aprillil 2020.
5. Induktiivkoormus, 2007. Beeta-miinus lagunemine. [pilt võrgus] Saadaval aadressil https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Kasutatud 23. aprillil 2020.
6. Tanabashi M. et al. (Particle Data Group), 2018. Neutriino massid, segunemine ja võnkumised, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) ja 2019. aasta värskendus. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog vastab. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Piirang aine-antiaine sümmeetriat rikkuvale faasile neutriinovõnkumistes. Loodus köide 580, lk339–344(2020). Avaldatud: 15. aprill 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
