T2K, долга основна линија неутрино експеримент со осцилации во Јапонија, неодамна објави опсервација каде што открија силен доказ за разлика помеѓу основните физички својства на неутрина и онаа на соодветниот пандан на антиматерија, анти-неутрина. Оваа опсервација укажува на објаснување на една од најголемите мистерии на науката - објаснување за доминацијата на важно во Универзумот над антиматеријата, а со тоа и самото наше постоење.
на важно-антиматеријална асиметрија на Универзумот
Според теоријата на космологијата, честичките и нивните античестички биле произведени во парови од зрачење за време на Биг Бенг. Античестичките се антиматерија кои имаат речиси исти физички својства како нивните важно колеги, односно честички, освен електричното полнење и магнетните својства кои се обратни. Меѓутоа, на Универзумот постои и се состои само од материја што покажува дека некоја симетрија материја-антиматерија била скршена во текот на Биг-Бангот, поради што паровите не можеле целосно да го уништат повторно произведувајќи зрачење. Физичарите сè уште бараат потписи за нарушување на CP-симетријата, што пак може да ја објасни скршената симетрија материја-антиматерија во раните Универзумот.
CP-симетријата е производ на две различни симетрии - полнеж-конјугација (C) и паритет-превртување (P). Коњугацијата на полнеж C кога се применува на наелектризирана честичка го менува знакот на нејзиниот полнеж, така што позитивно наелектризираната честичка станува негативно наелектризирана и обратно. Неутралните честички остануваат непроменети под дејство на C. Симетријата на пресврт на паритет ги менува просторните координати на честичката на која дејствува - така што десната честичка станува левак, слично на она што се случува кога некој ќе застане пред огледало. Конечно, кога CP делува на деснорачна негативно наелектризирана честичка, таа се претвора во лева позитивно наелектризирана, што е античестичката. Така важно и антиматеријата се поврзани една со друга преку CP-симетрија. Оттука, CP мора да е прекршена за да се генерира набљудуваното асиметрија материја-антиматерија, што првпат беше истакнато од Сахаров во 1967 година (1).
Бидејќи гравитационите, електромагнетните, како и силните интеракции се непроменливи под CP-симетријата, единственото место за барање CP-повреда во Природата е во случај на кваркови и/или лептони, кои комуницираат преку слаба интеракција. Досега, прекршувањето на CP се мери експериментално во кварк-секторот, меѓутоа, тоа е премногу мало за да се генерира проценетата асиметрија на Универзумот. Оттука, разбирањето на кршењето на КП во лептонскиот сектор е од посебен интерес за физичарите да го разберат постоењето на Универзумот. Повреда на CP во лептонскиот сектор може да се користи за да се објасни асиметријата материја-антиматерија преку процес наречен лептогенеза (2).
Зошто се важни неутрината?
неутрина се најситните, масивни честички на природата со нула електричен полнеж. Да се биде електрично неутрален, неутрина не можат да имаат електромагнетни интеракции, а немаат ниту силни интеракции. Неутрините имаат мали маси од редот од 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), па оттука и гравитациската интеракција е исто така многу слаба. Единствениот начин неутрина може да комуницирате со други честички е преку краток дострел слаби интеракции.
Ова слабо интерактивно својство на неутрина, сепак, ги прави интересна сонда за проучување на далечни астрофизички објекти. Додека дури и фотоните можат да бидат заматени, дифузни и расеани од прашината, гасните честички и зрачењето на позадината присутни во меѓуѕвездената средина, неутрина може да помине главно непречено и да стигне до детекторите базирани на Земјата. Во сегашниот контекст, неутрино-секторот со слаба интеракција може да биде остварлив кандидат за да придонесе за кршење на КП.
Неутрино осцилација и КП-повреда
Постојат три типа на неутрина (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 и 𝜈𝜏 – еден поврзан со секој лептон има вкус на електрон (е), мион (𝜇) и тау (𝜏). Неутрините се произведуваат и детектираат како својствени ароми преку слаби интеракции во асоцијација со наелектризираниот лептон со соодветниот вкус, додека тие се шират како состојби со дефинитивни маси, наречени масовни сопствени состојби. Така, зракот на неутрино со дефинитивен вкус на изворот станува мешавина од сите три различни вкусови на точката на откривање по патувањето низ одредена должина на патеката - пропорцијата на различни состојби на вкус зависи од параметрите на системот. Овој феномен е познат како осцилација на неутрино, што ги прави овие ситни честички многу посебни!
Теоретски, секоја од сопствените состојби на вкус на неутрино може да се изрази како линеарна комбинација на сите три масени сопствени состојби и обратно, а мешањето може да се опише со унитарна матрица наречена матрица Понтекорво-Маки-Накагава-Саката (PMNS) (3,4 , 3). Оваа XNUMX-димензионална унитарна матрица за мешање може да се параметриизира со три агли на мешање и сложени фази. Од овие сложени фази, осцилацијата на неутриното е чувствителна на само една фаза, наречена 𝛿𝐶𝑃, и тоа е единствен извор на кршење на КП во лептонскиот сектор. 𝛿𝐶𝑃 може да земе која било вредност во опсегот −180° и 180°. Додека 𝛿𝐶𝑃=0,±180° значи дека неутрината и антинеутрината се однесуваат идентично и CP е зачувана, 𝛿𝐶𝑃=±90° означува максимална повреда на CP во лептонскиот сектор на Стандардниот модел. Секоја средна вредност е показател за кршење на CP на различни степени. Оттука и мерење на 𝛿𝐶𝑃 е една од најважните цели на заедницата за физика на неутрино.
Мерење на параметрите на осцилација
Неутрината се произведуваат во изобилство за време на нуклеарните реакции, како оние во Сонцето, другите ѕвезди и суперновите. Тие исто така се произведуваат во атмосферата на Земјата преку интеракцијата на високоенергетските космички зраци со атомските јадра. За да имаме идеја за флуксот на неутрините, секоја секунда низ нас поминуваат околу 100 трилиони. Но, ние дури и не го сфаќаме тоа бидејќи тие имаат многу слаба интеракција. Ова го прави мерењето на својствата на неутрините за време на експериментите со осцилација на неутрино навистина предизвикувачка работа!
За да се измерат овие неостварливи честички, детекторите на неутрино се големи, имаат килограми-тони маса и на експериментите им требаат неколку години за да се постигнат статистички значајни резултати. Поради нивните слаби интеракции, на научниците им требаа околу 25 години експериментално да го откријат првото неутрино откако Паули го постулираше нивното присуство во 1932 година за да го објасни зачувувањето на енергијата на моментумот во нуклеарното бета распаѓање (прикажано на сликата (5)).
Научниците ги измериле сите три агли на мешање со повеќе од 90% прецизност со 99.73% (3𝜎) доверба (6). Два од аглите на мешање се големи за да ги објаснат осцилациите на сончевите и атмосферските неутрина, третиот агол (именуван 𝜃13) е мала, најдобро одговара вредност е приближно 8.6° и беше измерена експериментално неодамна во 2011 година со реакторскиот неутрино експеримент Daya-Bay во Кина. Во PMNS матрицата, фазата 𝛿𝐶𝑃 се појавува само во комбинација sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, изработка на експериментално мерење на 𝛿𝐶𝑃 тешкотии.
Параметарот што ја квантификува количината на кршење на CP и во кваркови и во неутрино-секторите се нарекува Јарлског непроменлива 𝐽𝐶𝑃 (7), што е во функција на аглите на мешање и фазата на кршење на КП. За кварк-секторот 𝐽𝐶𝑃3 × 10 XNUMX-5 , додека за неутрино-секторот 𝐽𝐶𝑃~0.033 грев𝛿𝐶𝑃, и на тој начин може да биде до три реда на величина поголема од 𝐽𝐶𝑃 во кварк-секторот, во зависност од вредноста на 𝛿𝐶𝑃.
Резултат од T2K – навестување за решавање на мистеријата на асиметријата материја-антиматерија
Во долгоосновниот експеримент за осцилација на неутрино T2K (Токаи-до-Камиока во Јапонија), зраците на неутрино или антинеутрино се генерираат во Истражувачкиот комплекс за забрзување на протонот во Јапонија (J-PARC) и се откриваат во детекторот Water-Cerenkov во Супер-Камиоканде. откако помина 295 километри оддалеченост низ Земјата. Бидејќи овој забрзувач може да произведе греди од било кој 𝜈𝜇 или нејзината античестичка 𝜈̅𝜇, а детекторот може да открие 𝜈𝜇,𝜈𝑒 и нивните античестички 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, тие имаат резултати од четири различни процеси на осцилација и можат да ја извршат анализата за да добијат ефикасни граници на параметрите на осцилацијата. Сепак, фазата на кршење на КП 𝛿𝐶𝑃 се појавува само во процесот кога неутрината го менуваат вкусот, т.е. во осцилациите 𝜈𝜇→
Во една неодамнешна комуникација, соработката на T2K објави интересни граници за кршење на CP во секторот на неутрино, анализирајќи ги податоците собрани во текот на 2009 и 2018 година (8). Овој нов резултат отфрли околу 42% од сите можни вредности на 𝛿𝐶𝑃. Што е уште поважно, случајот кога CP е зачуван е исклучен со 95% доверба, а во исто време се чини дека максималното кршење на CP се претпочита во природата.
На полето на физиката со висока енергија, потребна е доверба од 5𝜎 (т.е. 99.999%) за да се тврди ново откритие, затоа се потребни експерименти од следната генерација за да се добие доволно статистика и поголема прецизност за откривање на фазата на кршење на КП. Сепак, неодамнешниот резултат на T2K е значаен развој кон нашето разбирање на асиметријата материја-антиматерија на Универзумот преку кршењето на КП во неутрино-секторот, за прв пат.
***
Референци:
1. Сахаров, Андреј Д., 1991. ''Повреда на CP непроменливоста, C асиметрија и барионска асиметрија на универзумот''. Советска физика Успехи, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Вовед во лептогенезата и својствата на неутрино. Современа физика Том 53, 2012 година – Број 4 Страни 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Маки З., Накагава М. и Саката С., 1962 година. Забелешки за унифицираниот модел на елементарни честички. Прогрес на теоретска физика, том 28, број 5, ноември 1962 година, страници 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ИНВЕРЗНИ БЕТА ПРОЦЕСИ И НЕКОНЗЕРВАЦИЈА НА ЛЕПТОН КОМПЈЕТО. Весник за експериментална и теоретска физика (СССР) 34, 247-249 (јануари, 1958). Достапно на интернет http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Пристапено на 23 април 2020 година.
5. Индуктивно оптоварување, 2007 година. Бета-минус распаѓање. [слика онлајн] Достапно на https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Пристапено на 23 април 2020 година.
6. Танабаши М., и сор. (Група со податоци за честички), 2018. Неутрински маси, мешање и осцилации, физика. Rev. D98, 030001 (2018) и ажурирање од 2019 година. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Јарлског, Ц., 1986. Јарлског одговара. Физ. Свештеникот Лет. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Ограничување на фазата што ја нарушува симетријата на материја-антиматерија во осцилации на неутрино. Природа том 580, страници 339–344 (2020). Објавено: 15 април 2020 година. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
