T2K, ilga bazinė linija neutrinas svyravimo eksperimentas Japonijoje, neseniai pranešė apie stebėjimą, kuriame jie aptiko svarių įrodymų, kad skiriasi pagrindinės fizinės savybės. neutrinai ir atitinkamo antimedžiagos atitikmens – antineutrinų. Šis pastebėjimas sufleruoja, kaip paaiškinti vieną didžiausių mokslo paslapčių – dominavimo klausimas viduje Visata virš antimaterijos, taigi ir mūsų egzistencijos.
Šios klausimas- antimedžiagos asimetrija Visata
Remiantis kosmologijos teorija, dalelės ir jų antidalelės buvo gaminamos poromis iš spinduliuotės per Didįjį sprogimą. Antidalelės yra antimedžiagos, turinčios beveik tokias pačias fizines savybes kaip ir jų klausimas atitikmenų, ty dalelių, išskyrus elektros krūvį ir magnetines savybes, kurios yra atvirkštinės. Tačiau, Visata egzistuoja ir yra sudarytas tik iš materijos, rodo, kad Didžiojo sprogimo metu buvo pažeista tam tikra materijos ir antimedžiagos simetrija, dėl kurios poros negalėjo visiškai sunaikinti ir vėl gamina spinduliuotę. Fizikai vis dar ieško CP simetrijos pažeidimo parašų, o tai savo ruožtu gali paaiškinti ankstyvą sutrikusią materijos ir antimedžiagos simetriją. Visata.
CP simetrija yra dviejų skirtingų simetrijų – krūvio konjugacijos (C) ir pariteto pasikeitimo (P) – rezultatas. Krūvio konjugacija C, taikoma įelektrintai dalelei, pakeičia jos krūvio ženklą, todėl teigiamai įkrauta dalelė tampa neigiamai įkrauta ir atvirkščiai. Neutralios dalelės išlieka nepakitusios, veikiant C. Pariteto apsisukimo simetrija apverčia dalelės, kurią ji veikia, erdvines koordinates – taigi dešiniarankė dalelė tampa kairiaranke, panašiai kaip atsitinka atsistojus prieš veidrodį. Galiausiai, kai CP veikia dešinės pusės neigiamo krūvio dalelę, ji paverčiama kairiąja teigiamai įkrauta dalele, kuri yra antidalelė. Taigi klausimas ir antimedžiaga yra susijusios viena su kita per CP simetriją. Vadinasi, CP turi būti pažeistas, kad būtų sukurtas stebimasis materijos-antimaterijos asimetrija1967 m. pirmą kartą atkreipė dėmesį į Sacharovas (1).
Kadangi gravitacinė, elektromagnetinė ir stipri sąveika yra nekintama pagal CP simetriją, vienintelė vieta, kur galima ieškoti CP pažeidimo gamtoje, yra kvarkai ir (arba) leptonai, kurie sąveikauja per silpną sąveiką. Iki šiol CP pažeidimas buvo matuojamas eksperimentiškai kvarkų sektoriuje, tačiau jis yra per mažas, kad būtų sukurta apskaičiuota kvarkų asimetrija. Visata. Todėl CP pažeidimo leptono sektoriuje supratimas yra ypač svarbus fizikams, kad suprastų, kad egzistuoja Visata. CP pažeidimas leptono sektoriuje gali būti naudojamas materijos ir antimedžiagos asimetrijai paaiškinti per procesą, vadinamą leptogeneze (2).
Kodėl neutrinai yra svarbūs?
neutrinai yra mažiausios, masyvios gamtos dalelės, neturinčios nulinio elektros krūvio. Būdamas elektra neutralus, neutrinai negali turėti elektromagnetinės sąveikos, taip pat neturi stiprios sąveikos. Neutrinų masė yra 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), todėl gravitacinė sąveika taip pat labai silpna. Vienintelis kelias neutrinai gali sąveikauti su kitomis dalelėmis per trumpo nuotolio silpną sąveiką.
Ši silpnai sąveikaujanti savybė neutrinaiTačiau tai daro juos įdomiu zondu tirti toli esančius astrofizinius objektus. Nors tarpžvaigždinėje terpėje esančios dulkės, dujų dalelės ir foninė spinduliuotė gali uždengti, išsklaidyti ir išsklaidyti net fotonus, neutrinai dažniausiai gali praeiti netrukdomai ir pasiekti Žemėje esančius detektorius. Esant dabartinėms aplinkybėms, silpnai sąveikaujantis neutrinų sektorius gali būti perspektyvus kandidatas prisidėti prie CP pažeidimo.
Neutrinų virpesiai ir CP pažeidimas
Yra trijų tipų neutrinai (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 ir 😍𝜏 – vienas, susijęs su kiekvienu leptonu, aromatizuoja elektroną (e), miuoną (𝜇) ir tau (𝜏). Neutrinai gaminami ir aptinkami kaip skonio savybės per silpną sąveiką, susijusią su atitinkamo skonio įkrautu leptonu, o jie plinta kaip būsenos, turinčios apibrėžtą masę, vadinamą masės savybėmis. Taigi neutrinų pluoštas, turintis konkretų skonį šaltinyje, aptikimo taške tampa visų trijų skirtingų skonių mišiniu, nukeliaudamas tam tikrą kelio ilgį – skirtingų skonio būsenų dalis priklauso nuo sistemos parametrų. Šis reiškinys žinomas kaip neutrino virpesiai, todėl šios mažos dalelės yra labai ypatingos!
Teoriškai kiekviena neutrino skonio savybė gali būti išreikšta kaip tiesinis visų trijų masės-savųjų būsenų derinys ir atvirkščiai, o maišymąsi galima apibūdinti vienetine matrica, vadinama Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrica (3,4). ,3). Šią XNUMX dimensiją vientisą maišymo matricą galima parametrizuoti trimis maišymo kampais ir sudėtingomis fazėmis. Iš šių sudėtingų fazių neutrino virpesiai yra jautrūs tik vienai fazei, pavadintai 𝛿𝐶𝑃, ir tai yra unikalus CP pažeidimo šaltinis leptono sektoriuje. 𝛿𝐶𝑃 gali būti bet kokia vertė diapazone –180° ir 180°. Nors 𝛿𝐶𝑃=0,±180° reiškia, kad neutrinai ir antineutrinai elgiasi identiškai ir CP išsaugomas, 𝛿𝐶𝑃=±90° rodo maksimalų CP pažeidimą standartinio modelio leptono sektoriuje. Bet kokia tarpinė reikšmė rodo CP pažeidimą skirtingais laipsniais. Taigi išmatuokite 𝛿𝐶𝑃 yra vienas iš svarbiausių neutrinų fizikos bendruomenės tikslų.
Virpesių parametrų matavimas
Neutrinų susidaro daug branduolinių reakcijų metu, pavyzdžiui, Saulėje, kitose žvaigždėse ir supernovose. Jie taip pat susidaro Žemės atmosferoje sąveikaujant didelės energijos kosminiams spinduliams su atominiais branduoliais. Kad įsivaizduotume neutrinų srautą, kas sekundę pro mus praeina apie 100 trilijonų. Bet mes to net nesuvokiame, nes jie labai silpnai bendrauja. Dėl to neutrinų savybių matavimas atliekant neutrinų virpesių eksperimentus yra tikrai sudėtingas darbas!
Norint išmatuoti šias sunkiai pasiekiamas daleles, neutrinų detektoriai yra dideli, turi kilotonų masę, o eksperimentai užtrunka kelerius metus, kad būtų pasiekti statistiškai reikšmingi rezultatai. Dėl silpnos jų sąveikos mokslininkams prireikė maždaug 25 metų, kad eksperimentiškai aptiktų pirmąjį neutriną po to, kai Pauli 1932 m. postulavo jų buvimą, kad paaiškintų energijos ir impulso išsaugojimą branduolinio beta skilimo metu (parodyta paveikslėlyje (5)).
Mokslininkai visus tris maišymo kampus išmatavo daugiau nei 90 % tikslumu su 99.73 % (3𝜎) patikimumu (6). Du maišymo kampai yra dideli, kad paaiškintų saulės ir atmosferos neutrinų svyravimus, trečiasis kampas (pavadintas 𝜃13) yra maža, tinkamiausia vertė yra maždaug 8.6°, ir buvo eksperimentiškai išmatuota tik neseniai, 2011 m., atliekant reaktoriaus neutrinų eksperimentą Daya-Bay Kinijoje. PMNS matricoje fazė 𝛿𝐶𝑃 pasirodo tik kombinacijoje sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, atliekant eksperimentinius matavimus 😍𝐶𝑃 sunku.
Parametras, kiekybiškai įvertinantis CP pažeidimo dydį tiek kvarko, tiek neutrinų sektoriuose, vadinamas Jarlskog invariantu 𝐽𝐶𝑃 (7), kuri yra maišymo kampų ir CP pažeidimo fazės funkcija. Kvarkų sektoriui 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , o neutrinų sektoriui 𝐽𝐶𝑃~0.033 nuodėmė𝛿𝐶𝑃, taigi gali būti iki trijų eilučių didesnis nei 𝐽𝐶𝑃 kvarkų sektoriuje, priklausomai nuo 𝛿 vertės𝐶𝑃.
T2K rezultatas – užuomina į materijos ir antimedžiagos asimetrijos paslaptį
Ilgos bazinės linijos neutrinų virpesių eksperimente T2K (Tokai-to-Kamioka Japonijoje) neutrino arba antineutrino pluoštai generuojami Japonijos protonų greitintuvo tyrimų komplekse (J-PARC) ir aptinkami vandens-Cerenkovo detektoriuje Super-Kamiokande, įveikęs 295 km atstumą per Žemę. Kadangi šis greitintuvas gali sukurti spindulius iš 𝜈𝜇 arba jo antidalelė 𝜈̅𝜇, o detektorius gali aptikti 𝜈𝜇,𝜈𝑒 ir jų antidalelės 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, jie turi keturių skirtingų virpesių procesų rezultatus ir gali atlikti analizę, kad gautų efektyvias virpesių parametrų ribas. Tačiau CP pažeidimo fazė 𝛿𝐶𝑃 pasirodo tik procese, kai neutrinai keičia skonį, ty svyravimuose 𝜈𝜇→𝜈𝑒 ir 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – bet koks šių dviejų procesų skirtumas reikštų CP pažeidimą leptono sektoriuje.
Neseniai paskelbtame pranešime T2K bendradarbiavimas pranešė apie įdomias CP pažeidimo ribas neutrinų sektoriuje, analizuodamas 2009 ir 2018 m. surinktus duomenis (8). Šis naujas rezultatas atmetė apie 42% visų įmanomų 𝛿 verčių𝐶𝑃. Dar svarbiau, kad atvejis, kai CP yra išsaugotas, buvo atmestas esant 95% pasitikėjimui, ir tuo pačiu metu gamtoje pirmenybė teikiama maksimaliam CP pažeidimui.
Didelės energijos fizikos srityje, norint pareikšti naują atradimą, reikalingas 5 (ty 99.999%) pasitikėjimas, todėl reikia atlikti naujos kartos eksperimentus, kad būtų gauta pakankamai statistikos ir didesnio tikslumo CP pažeidžiančios fazės atradimui. Tačiau naujausias T2K rezultatas yra reikšmingas pokytis siekiant suprasti materijos ir antimedžiagos asimetriją Visata per CP pažeidimą neutrinų sektoriuje, pirmą kartą.
***
Nuorodos:
1. Sacharovas, Andrejus D., 1991. ''Visatos CP invariancijos, C asimetrijos ir barioninės asimetrijos pažeidimas''. Soviet Physics Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Įvadas į leptogenezę ir neutrinų savybes. Šiuolaikinė fizika 53 tomas, 2012 – 4 leidimas, 315-338 puslapiai. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. ir Sakata S., 1962. Pastabos dėl vieningo elementariųjų dalelių modelio. Teorinės fizikos pažanga, 28 tomas, 5 leidimas, 1962 m. lapkritis, 870–880 puslapiai, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ATVIRKŠTI BETA PROCESAI IR LEPTONO KŪVIO NESAUDOJIMAS. Eksperimentinės ir teorinės fizikos žurnalas (SSRS) 34, 247-249 (1958 m. sausis). Galima internetu http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Žiūrėta 23 m. balandžio 2020 d.
5. Indukcinė apkrova, 2007. Beta-minus Decay. [vaizdas internete] Galima rasti adresu https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Žiūrėta 23 m. balandžio 2020 d.
6. Tanabashi M. ir kt. (Particle Data Group), 2018. Neutrinų masės, maišymasis ir virpesiai, fiz. Rev. D98, 030001 (2018) ir 2019 m. atnaujinimas. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog atsako. Fizik. Kunigas Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. T2K bendradarbiavimas, 2020 m. Materijos ir antimedžiagos simetriją pažeidžiančios fazės neutrinų virpesiuose apribojimas. Gamta 580 tomas, psl.339–344(2020). Paskelbta: 15 m. balandžio 2020 d. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
