Jaapanis teostatav pika baasjoonega neutriinovõnkumise eksperiment T2K teatas hiljuti vaatlusest, milles nad on tuvastanud tugevaid tõendeid neutriinode ja vastava antiaine vaste, antineutriinode, fundamentaalsete füüsikaliste omaduste erinevuse kohta. See vaatlus vihjab ühe teaduse suurima saladuse selgitamisele – selgitusele aine domineerimise kohta universumis antiaine üle ja seega ka meie olemasolu kohta.
Universumi mateeria ja antimateeria asümmeetria
Kosmoloogiateooria kohaselt tekkisid Suure Paugu ajal kiirgusest osakesed ja nende antiosakesed paaridena. Antiosakesed on antiained, millel on peaaegu samad füüsikalised omadused kui nende aine vastetel ehk osakestel, välja arvatud elektrilaeng ja magnetilised omadused, mis on vastupidised. See, et Universum eksisteerib ja koosneb ainult ainest, viitab sellele, et Suure Paugu käigus purunes osa aine-antiaine sümmeetriast, mille tõttu paarid ei saanud täielikult annihileeruda, tekitades uuesti kiirgust. Füüsikud otsivad endiselt CP-sümmeetria rikkumise märke, mis omakorda võivad selgitada aine-antiaine sümmeetria purunemist varajases Universumis.
CP-sümmeetria on kahe erineva sümmeetria – laengu konjugatsiooni (C) ja pariteedi ümberpööramise (P) – tulemus. Laengu konjugatsioon C muudab laetud osakesele rakendatuna selle laengu märki, mistõttu positiivselt laetud osake muutub negatiivselt laetud osakeseks ja vastupidi. Neutraalsed osakesed jäävad C mõjul muutumatuks. Pariteedi ümberpööramise sümmeetria pöörab ümber osakese, millele see mõjub, ruumilised koordinaadid – seega muutub paremakäeline osake vasakukäeliseks, sarnaselt sellele, mis juhtub peegli ees seistes. Lõpuks, kui CP mõjub paremakäelise negatiivselt laetud osakesele, muutub see vasakukäeliseks positiivselt laetud osakeseks, mis on antiosake. Seega on aine ja antiaine omavahel seotud CP-sümmeetria kaudu. Seega pidi CP olema rikutud, et tekiks vaadeldav aine-antiaine asümmeetria , millele Sahharov esmakordselt 1967. aastal (1) tähelepanu juhtis.
Kuna gravitatsioonilised, elektromagnetilised ja tugevad vastastikmõjud on CP-sümmeetria korral invariantsed, on ainus koht, kust looduses CP-rikkumist otsida, kvarkide ja/või leptonite puhul, mis interakteeruvad nõrga vastastikmõju kaudu. Praeguseks on CP-rikkumist kvarkide sektoris eksperimentaalselt mõõdetud, kuid see on liiga väike, et genereerida Universumi hinnangulist asümmeetriat . Seega on CP-rikkumise mõistmine leptonisektoris füüsikutele eriti huvitav, et mõista Universumi olemasolu . CP-rikkumist leptonisektoris saab kasutada aine-antiaine asümmeetria selgitamiseks protsessi kaudu, mida nimetatakse leptogeneesiks (2).
Miks on neutriinod olulised?
Neutriinod on looduse kõige pisemad ja massiivsemad osakesed, millel puudub elektrilaeng. Kuna neutriinod on elektriliselt neutraalsed , ei saa neil olla elektromagnetilisi vastastikmõjusid ega ka tugevaid vastastikmõjusid. Neutriinode mass on imeväike, suurusjärgus 0.1 eV (~ 2 × 10⁻³³ kg ), seega on gravitatsiooniline vastastikmõju väga nõrk. Ainus viis, kuidas neutriinod saavad teiste osakestega suhelda, on lühiajaliste nõrkade vastastikmõjude kaudu.
See neutriinode nõrgalt interakteeruv omadus muudab need aga huvitavaks proovivõtturiks kaugete astrofüüsikaliste objektide uurimiseks. Kuigi isegi footoneid võivad varjata, hajutada ja hajutada tähtedevahelises keskkonnas esinev tolm, gaasiosakesed ja taustkiirgus, pääsevad neutriinod enamasti takistamatult läbi ja jõuavad Maa-põhiste detektoriteni. Praeguses kontekstis võib neutriino sektor nõrgalt interakteerudes olla elujõuline kandidaat CP-rikkumisele kaasaaitamiseks.
Neutriino võnkumine ja CP-rikkumine
Neutriinosid (𝜈) on kolme tüüpi – 𝜈 𝑒 , 𝜈 𝜇 ja 𝜈 𝜏 – iga maitse leptoni – elektroni (e), müüoni (𝜇) ja tau (𝜏) – kohta üks. Neutriinod tekivad ja tuvastatakse maitse-omaolekutena nõrkade interaktsioonide kaudu seoses vastava maitse laetud leptoniga, samal ajal kui nad levivad kindla massiga olekutena, mida nimetatakse massi-omaolekuteks. Seega muutub kindla maitsega neutriinokiir allikal pärast teatud teepikkuse läbimist detekteerimispunktis kõigi kolme erineva maitse seguks – erinevate maitseolekute osakaal sõltub süsteemi parameetritest. Seda nähtust nimetatakse neutriinoostsillatsiooniks, mis muudab need pisikesed osakesed väga eriliseks!
Teoreetiliselt saab iga neutriino maitseomadusseisundit väljendada kõigi kolme massiomadusseisundi lineaarse kombinatsioonina ja vastupidi ning segunemist saab kirjeldada unitaarse maatriksiga, mida nimetatakse Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) maatriksiks (3,4). Seda kolmemõõtmelist unitaarset segunemismaatriksit saab parameetriseerida kolme segunemisnurga ja kompleksfaaside abil. Nendest kompleksfaasidest on neutriinoostsillatsioon tundlik ainult ühe faasi, nn 𝛿 𝐶𝑃 , suhtes ja see on leptonisektoris CP-rikkumise ainulaadne allikas. 𝛿 𝐶𝑃 võib võtta mis tahes väärtuse vahemikus −180° kuni 180°. Kuigi 𝛿 𝐶𝑃 = 0,±180° tähendab, et neutriinod ja antineutriinod käituvad identselt ja CP on säilinud, näitab 𝛿 𝐶𝑃 = ±90° maksimaalset CP-rikkumist standardmudeli leptonisektoris. Iga vahepealne väärtus näitab CP-rikkumist erineval määral. Seega on 𝛿 𝐶𝑃 mõõtmine 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 kõiki kolme segunemisnurka enam kui 90% täpsusega ja 99.73% (3°) usaldusnivoo juures (6). Kaks segunemisnurka on suured, et selgitada päikese ja atmosfääri neutriinode võnkumisi, kolmas nurk (nimega 𝜃 13 ) on väike, parima sobivuse väärtus on ligikaudu 8.6°, ja seda mõõdeti eksperimentaalselt alles hiljuti, 2011. aastal Hiinas Daya-Bay reaktori neutriinoeksperimendis. PMNS-maatriksis esineb faas 𝛿 𝐶𝑃 ainult kombinatsioonis sin𝜃 13 𝑒 ±𝑖𝛿 𝐶𝑃 , muutes 𝛿 𝐶𝑃 eksperimentaalse mõõtmise keeruliseks.
Parameetrit, mis kvantifitseerib CP-rikkumise hulka nii kvargi- kui ka neutriinosektorites, nimetatakse Jarlskogi invariandiks 𝐽 𝐶𝑃 (7), mis on segunemisnurkade ja CP-rikkuva faasi funktsioon. Kvargisektori puhul 𝐽 𝐶𝑃 ~3× 10⁻⁶ , samas kui neutriinosektori puhul 𝐽 𝐶𝑃 ~0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 , ja seega võib see olla kuni kolm suurusjärku suurem kui 𝐽 𝐶𝑃 kvargisektoris, olenevalt 𝐿 𝐶𝑃 väärtusest.
T2K tulemus – vihje aine-antiaine asümmeetria mõistatuse lahendamisele
Pika baasjoonega neutriinoostsillatsiooni eksperimendis T2K (Tokai-Kamioka Jaapanis) genereeritakse Jaapani prootonkiirendite uurimiskompleksis (J-PARC) neutriino- või antineutriinokiired ja detekteeritakse need Super-Kamiokande Water-Cerenkov detektoris pärast 295 km läbimist läbi Maa. Kuna see kiirendi suudab tekitada kas 𝜈 𝜇 või selle antiosakese 𝜈̅𝜇 kiiri ning detektor suudab tuvastada 𝜈 𝜇 , 𝜈 𝑒 ja nende antiosakesi 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, on neil tulemused neljast erinevast võnkumisprotsessist ja nad saavad teostada analüüsi, et saada võnkumise parameetritele efektiivsed piirid. CP-d rikkuv faas 𝛿 𝐶𝑃 ilmneb ainult protsessis, kus neutriinode maitse muutub, st võnkumistes 𝜈𝜇→𝜈𝑒 ja 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – igasugune erinevus nende kahe protsessi vahel viitaks CP-rikkumisele leptonisektoris.
Hiljutises teates teatas T2K koostööprojekt neutriinosektoris CP-rikkumise huvitavatest piiridest, analüüsides 2009. ja 2018. aastal kogutud andmeid (8). See uus tulemus välistas umbes 42% kõigist võimalikest 𝛿 𝐶𝑃 väärtustest . Veelgi olulisem on see, et juhtum, kus CP on säilinud, on välistatud 95% usaldusväärsusega ning samal ajal näib Nature'is eelistatud olevat 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 invariantsuse, C asümmeetria ja barüonide asümmeetria rikkumine''. Soviet Physics Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Sissejuhatus leptogeneesi ja neutriino omadustesse. Contemporary Physics, 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. Märkusi elementaarosakeste ühendmudeli 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 LEPTONI LAENGU MITTEKONSERVEERIMINE. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (jaanuar 1958). Saadaval veebis http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Juurdepääs 23. aprillil 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [pilt võrgus]. Saadaval aadressil https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Kasutatud 23. aprillil 2020.
6. Tanabashi M. jt (Osakeste Andmete Grupp), 2018. Neutriino Massid, Segunemine, ja Võnkumised, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) ja 2019. aasta uuendus. 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. T2K koostööprojekt, 2020. Piirang aine ja antiaine sümmeetriat rikkuvale faasile neutriinovõnkumistes. Nature, köide 580, lk 339–344 (2020). Avaldatud: 15. aprill 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
Teemaga seotud artiklid:
Miks domineerib universumis „aine”, mitte „antiaine”? Universumi olemasolu põhjuste uurimisel (18. aprill 2020)
Antiainet mõjutab gravitatsioon samamoodi nagu ainet (29. september 2023)
Edusammud antiprootonite transpordis (2. detsember 2024)
Miks on ISS-i pardal Maa ümber tiirlev minikülmiku suurune „külma aatomi labor (CAL)” teaduse jaoks oluline (28. august 2024)
***
