T2K, 'n lang basislyn neutrino ossillasie-eksperiment in Japan, het onlangs 'n waarneming gerapporteer waar hulle 'n sterk bewys van 'n verskil tussen fundamentele fisiese eienskappe van neutrino en dié van die ooreenstemmende antimaterie-eweknie, anti-neutrino's. Hierdie waarneming dui daarop om een van die grootste geheimenisse van die wetenskap te verduidelik – 'n verduideliking vir die oorheersing van saak in die Heelal oor antimaterie, en dus ons bestaan.
Die saak-antimaterie asimmetrie van die Heelal
Volgens die teorie van Kosmologie is deeltjies en hul teendeeltjies in pare geproduseer deur bestraling tydens Oerknal. Antideeltjies is antimaterie met byna dieselfde fisiese eienskappe as hulle saak eweknieë dws deeltjies, behalwe vir elektriese lading en magnetiese eienskappe wat omgekeerd is. Die Heelal bestaan en bestaan slegs uit materie, dui daarop dat 'n mate van materie-antimaterie-simmetrie gedurende die loop van Oerknal verbreek is, as gevolg waarvan die pare nie heeltemal kon vernietig nie en weer straling produseer. Fisici soek steeds na tekens van CP-simmetrie-oortreding, wat weer die gebroke materie-antimaterie-simmetrie in die vroeë Heelal.
CP-simmetrie is die produk van twee verskillende simmetrieë – lading-vervoeging (C) en pariteit-omkering (P). Lading-vervoeging C wanneer dit op 'n gelaaide deeltjie toegepas word, verander die teken van sy lading, so 'n positief gelaaide deeltjie word negatief-gelaai en omgekeerd. Neutrale deeltjies bly onveranderd onder die werking van C. Pariteit-omkeer-simmetrie keer die ruimtelike koördinate van die deeltjie waarop dit inwerk – so 'n regshandige deeltjie word linkshandig, soortgelyk aan wat gebeur wanneer 'n mens voor 'n spieël staan. Ten slotte, wanneer CP op 'n regshandige negatief-gelaaide deeltjie inwerk, word dit omgeskakel na 'n linkshandige positief-gelaaide een, wat die antipartikel is. Dus saak en antimaterie is verwant aan mekaar deur CP-simmetrie. Daarom moes CP oortree gewees het om die waargenome te genereer materie-antimaterie asimmetrie, wat die eerste keer in 1967 deur Sacharof uitgewys is (1).
Aangesien gravitasie-, elektromagnetiese sowel as sterk interaksies onveranderlik is onder CP-simmetrie, is die enigste plek om na CP-oortreding in die natuur te soek in die geval van kwarke en/of leptone, wat interaksie het deur swak interaksie. Tot nou toe is KP-oortreding eksperimenteel in die kwark-sektor gemeet, maar dit is te klein om die beraamde asimmetrie van die Heelal. Daarom is die begrip van die CP-oortreding in die lepton-sektor van spesiale belang vir die fisici om die bestaan van die Heelal. Die CP-oortreding in die lepton-sektor kan gebruik word om die materie-antimaterie-asimmetrie te verduidelik deur 'n proses genaamd leptogenese (2).
Hoekom is die neutrino's belangrik?
neutrino is die kleinste, massiewe deeltjies van die Natuur met geen elektriese lading nie. Om elektries neutraal te wees, neutrino kan nie elektromagnetiese interaksies hê nie, en hulle het ook nie sterk interaksies nie. Neutrino's het klein massas van die orde van 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), dus gravitasie-interaksie is ook baie swak. Die enigste manier neutrino kan interaksie met ander deeltjies is deur kortafstand swak interaksies.
Hierdie swak-interaksie eiendom van die neutrino, maak hulle egter 'n interessante ondersoek om ver weg astrofisiese voorwerpe te bestudeer. Terwyl selfs fotone verduister, versprei en verstrooi kan word deur die stof, gasdeeltjies en agtergrondstraling wat in die interstellêre medium teenwoordig is, neutrino kan meestal ongehinderd verbygaan en die Aarde-gebaseerde detektors bereik. In die huidige konteks, wat swak interaksie is, kan neutrino-sektor 'n lewensvatbare kandidaat wees om by te dra tot die KP-oortreding.
Neutrino-ossillasie en CP-oortreding
Daar is drie tipes neutrino's (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 en 𝜈𝜏 – een geassosieer met elke lepton-geure elektron (e), muon (𝜇) en tau (𝜏). Neutrino's word geproduseer en opgespoor as geur-eigenstate via swak interaksies in assosiasie met die gelaaide lepton van ooreenstemmende geur, terwyl hulle voortplant as toestande met definitiewe massas, genoem massa-eigenstate. Dus word 'n neutrinostraal van definitiewe geur by die bron 'n mengsel van al drie verskillende geure by die punt van opsporing nadat dit deur 'n padlengte gereis het - die verhouding van verskillende geurtoestande is afhanklik van parameters van die stelsel. Hierdie verskynsel staan bekend as neutrino-ossillasie, wat hierdie klein deeltjies baie spesiaal maak!
Teoreties kan elk van die neutrino-geur-eigenstate uitgedruk word as 'n lineêre kombinasie van al drie massa-eigenstate en omgekeerd en die vermenging kan beskryf word deur 'n eenheidmatriks genoem Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matriks (3,4) ,3). Hierdie XNUMX-dimensionele eenheidsmengmatriks kan geparametriseer word deur drie menghoeke en komplekse fases. Van hierdie komplekse fases is neutrino-ossillasie sensitief vir slegs een fase, genaamd 𝛿𝐶𝑃, en dit is die unieke bron van CP-oortreding in die lepton-sektor. 𝛿𝐶𝑃 kan enige waarde in die reeks −180° en 180° neem. Terwyl 𝛿𝐶𝑃=0,±180° beteken dat neutrino's en antineutrino's identies optree en CP behoue bly, 𝛿𝐶𝑃=±90° dui op 'n maksimum CP-oortreding in die lepton-sektor van die Standaard Model. Enige intermediêre waarde is 'n aanduiding van CP-oortreding op verskillende grade. Vandaar meting van 𝛿𝐶𝑃 is een van die belangrikste doelwitte van die neutrinofisika-gemeenskap.
Meting van ossillasieparameters
Neutrino's word in oorvloed tydens kernreaksies geproduseer, soos dié in Son, ander sterre en supernovas. Hulle word ook in die aarde se atmosfeer geproduseer deur die interaksie van die hoë-energie kosmiese strale met atoomkerne. Om 'n idee van die neutrino-vloed te hê, gaan ongeveer 100 biljoen elke sekonde deur ons. Maar ons besef dit nie eers nie, aangesien hulle baie swak interaksie het. Dit maak die meting van neutrino-eienskappe tydens die neutrino-ossillasie-eksperimente 'n baie uitdagende taak!
Om hierdie ontwykende deeltjies te meet, is neutrino-verklikkers groot, met kiloton massa en eksperimente neem etlike jare om statisties beduidende resultate te behaal. As gevolg van hul swak interaksies het dit die wetenskaplikes ongeveer 25 jaar geneem om die eerste neutrino eksperimenteel op te spoor nadat Pauli hul teenwoordigheid in 1932 gepostuleer het om die energie-momentum-bewaring in kern-beta-verval te verduidelik (getoon in die figuur (5)).
Wetenskaplikes het al drie menghoeke met meer as 90% akkuraatheid gemeet teen 99.73% (3𝜎) vertroue (6). Twee van die menghoeke is groot om die ossillasies van son- en atmosferiese neutrino's te verduidelik, die derde hoek (genoem 𝜃13) is klein, die beste-paswaarde is ongeveer 8.6°, en is eers onlangs in 2011 eksperimenteel gemeet deur die reaktor-neutrino-eksperiment Daya-Bay in China. In die PMNS-matriks, die fase 𝛿𝐶𝑃 verskyn slegs in die kombinasie sonde𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, eksperimentele meting van 𝛿 te doen𝐶𝑃 moeilik.
Die parameter wat die hoeveelheid CP-oortreding in beide kwark- en neutrinosektore kwantifiseer, word die Jarlskog-invariant genoem 𝐽𝐶𝑃 (7), wat 'n funksie is van menghoeke en die CP-skendende fase. Vir die kwark-sektor 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , terwyl vir die neutrino-sektor 𝐽𝐶𝑃~0.033 sonde𝛿𝐶𝑃, en kan dus tot drie ordes van grootte groter as 𝐽 wees𝐶𝑃 in die kwark-sektor, afhangende van die waarde van 𝛿𝐶𝑃.
Resultaat van T2K – 'n wenk om die raaisel van materie-antimaterie-asimmetrie op te los
In die langbasislyn neutrino-ossillasie-eksperiment T2K (Tokai-to-Kamioka in Japan), word neutrino- of antineutrino-strale by die Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) gegenereer en by die Water-Cerenkov-detektor by Super-Kamiokande opgespoor, nadat hy 295 km afstand deur die aarde gereis het. Aangesien hierdie versneller strale van enige 𝜈 kan produseer𝜇 of sy teendeeltjie 𝜈̅𝜇, en die detektor kan 𝜈 opspoor𝜇,𝜈𝑒 en hul teendeeltjies 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, hulle het resultate van vier verskillende ossillasieprosesse en kan die analise uitvoer om doeltreffende grense op die ossillasieparameters te kry. Die CP-skendende fase 𝛿𝐶𝑃 verskyn slegs in die proses wanneer neutrino's van geure verander, dws in die ossillasies 𝜈𝜇→𝜈𝑒 en 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – enige verskil in hierdie twee prosesse sal 'n CP-oortreding in lepton-sektor impliseer.
In 'n onlangse kommunikasie het die T2K-samewerking interessante grense gerapporteer oor CP-oortreding in neutrinosektor, en die data wat gedurende 2009 en 2018 ingesamel is, ontleed (8). Hierdie nuwe resultaat het ongeveer 42% van alle moontlike waardes van 𝛿 uitgesluit𝐶𝑃. Belangriker nog, die geval wanneer CP bewaar word, is uitgesluit teen 95% vertroue, en terselfdertyd blyk maksimum CP-skending in die natuur verkies te word.
Op die gebied van hoë-energie fisika word 'n 5𝜎 (dws 99.999%) vertroue vereis om 'n nuwe ontdekking te eis, daarom word volgende generasie eksperimente vereis om voldoende statistieke en hoër akkuraatheid te kry vir die ontdekking van die CP-oortredingsfase. Die onlangse T2K-resultaat is egter 'n beduidende ontwikkeling in die rigting van ons begrip van die materie-antimaterie-asimmetrie van die Heelal deur die KP-oortreding in die neutrino-sektor, vir die eerste keer.
***
Verwysings:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''Skending van CP-invariansie, C-asimmetrie en barion-asimmetrie van die heelal''. Sowjet-fisika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. 'n Inleiding tot leptogenese en neutrino-eienskappe. Kontemporêre Fisika Volume 53, 2012 – Uitgawe 4 Bladsye 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. en Sakata S., 1962. Opmerkings oor die verenigde model van elementêre deeltjies. Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, November 1962, Pages 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. OMKEERDE BETA-PROSESSE EN NIE-BEWARING VAN LEPTON-LAG. Tydskrif vir Eksperimentele en Teoretiese Fisika (USSR) 34, 247-249 (Januarie, 1958). Aanlyn beskikbaar http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Toegang op 23 April 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [prent aanlyn] Beskikbaar by https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Toegang op 23 April 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Menging en Ossillasies, Fis. Ds. D98, 030001 (2018) en 2019-opdatering. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog reageer. Fis. Ds Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Beperking op die materie-antimaterie-simmetrie-skendende fase in neutrino-ossillasies. Natuur volume 580, bladsye 339–344(2020). Gepubliseer: 15 April 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
