REKLÁM

Az Univerzum anyag-antianyag aszimmetriájának titkának leleplezése neutrínó oszcillációs kísérletekkel

A T2K, egy hosszú kiindulási neutrínó-oszcillációs kísérlet Japánban, a közelmúltban egy megfigyelésről számolt be, amelyben erős bizonyítékot észleltek a neutrínók és a megfelelő antianyag megfelelője, az anti-neutrínók alapvető fizikai tulajdonságai közötti különbségre. Ez a megfigyelés arra utal, hogy megmagyarázza a tudomány egyik legnagyobb titkát – annak magyarázatát, hogy az Univerzumban az anyag uralja az antianyagot, és így létünket is.

Az Univerzum anyag-antianyag aszimmetriája

A kozmológia elmélete szerint az ősrobbanás során a részecskék és antirészecskék párban keletkeztek sugárzásból. Az antirészecskék olyan antianyagok, amelyek fizikai tulajdonságai közel azonosak az anyag megfelelőikkel, azaz a részecskékkel, kivéve az elektromos töltést és a mágneses tulajdonságokat, amelyek fordítottak. Az Univerzum azonban létezik, és csak anyagból áll, azt jelzi, hogy az ősrobbanás során megtört bizonyos anyag-antianyag szimmetria, ami miatt a párok nem tudták teljesen megsemmisíteni újra a sugárzást. A fizikusok még mindig keresik a CP-szimmetria megsértésének jeleit, ami viszont megmagyarázhatja a korai Univerzum megtört anyag-antianyag szimmetriáját.

A CP-szimmetria két különböző szimmetria – a töltés-konjugáció (C) és a paritás-fordítás (P) – szorzata. A töltött részecskére alkalmazva a C töltéskonjugáció megváltoztatja a töltés előjelét, így a pozitív töltésű részecske negatív töltésűvé válik, és fordítva. A semleges részecskék változatlanok maradnak a C hatására. A paritás-fordítási szimmetria megfordítja annak a részecskenak a térbeli koordinátáit, amelyre hat – így a jobbkezes részecske balkezessé válik, hasonlóan ahhoz, ami akkor történik, amikor az ember a tükör előtt áll. Végül, amikor a CP egy jobb oldali negatív töltésű részecskére hat, az egy bal oldali pozitív töltésű részecskévé alakul, amely az antirészecské. Így az anyag és az antianyag a CP-szimmetrián keresztül kapcsolódik egymáshoz. Ennélfogva a CP-t meg kell sérteni a megfigyelt generálásához anyag-antianyag aszimmetria, amelyre először Szaharov mutatott rá 1967-ben (1).

Mivel a gravitációs, elektromágneses és erős kölcsönhatások invariánsak a CP-szimmetria alatt, a természetben a CP-sértést csak a kvarkok és/vagy leptonok esetében lehet keresni, amelyek gyenge kölcsönhatáson keresztül lépnek kölcsönhatásba. Eddig a CP-sértést kísérletileg mérték a kvark szektorban, azonban ez túl kicsi ahhoz, hogy az Univerzum becsült aszimmetriáját generálja. Ezért a CP-sértés megértése a lepton szektorban különösen érdekes a fizikusok számára, hogy megértsék az Univerzum létezését. A lepton-szektor CP-sértése felhasználható az anyag-antianyag aszimmetria magyarázatára a leptogenezisnek nevezett folyamaton keresztül (2).

Miért fontosak a neutrínók?

A neutrínók a természet legapróbb, masszív részecskéi, amelyek nulla elektromos töltéssel rendelkeznek. Mivel elektromosan semlegesek, a neutrínók nem hatnak elektromágneses kölcsönhatásra, és nincs is erős kölcsönhatásuk. A neutrínók kis tömege 0.1 eV (~ 2 × 10-)37kg), ezért a gravitációs kölcsönhatás is nagyon gyenge. A neutrínók csak rövid hatótávolságú gyenge kölcsönhatásokon keresztül tudnak kölcsönhatásba lépni más részecskékkel.

A neutrínóknak ez a gyengén kölcsönható tulajdonsága azonban érdekes szondává teszi őket távoli asztrofizikai objektumok tanulmányozására. Míg a csillagközi közegben jelenlévő por, gázrészecskék és háttérsugárzások még a fotonokat is elfedhetik, szétszórhatják és szétszórhatják, a neutrínók többnyire akadálytalanul átjuthatnak a Földön található detektorokig. A jelenlegi kontextusban, mivel gyengén kölcsönhatásba lép, a neutrínó-szektor életképes jelölt lehet a CP-sértéshez.

Neutrinó oszcilláció és CP-sértés

Háromféle neutrínó létezik (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 és 𝜈𝜏 – minden egyes leptonhoz egy elektront (e), müont (𝜇) és tau-t (𝜏) ízesít. A neutrínók íz-saját állapotokként keletkeznek és detektálhatók gyenge kölcsönhatások révén a megfelelő íz töltött leptonjával, miközben meghatározott tömegű állapotokként, úgynevezett tömegsaját állapotokként terjednek. Így egy határozott ízű neutrínónyaláb a forrásnál az észlelési ponton mindhárom különböző íz keverékévé válik, miután áthalad valamilyen útvonalon – a különböző ízállapotok aránya a rendszer paramétereitől függ. Ezt a jelenséget ún neutrino rezgések, amitől ezek az apró részecskék nagyon különlegesek!

Elméletileg a neutrínó-íz-sajátállapotok mindegyike kifejezhető mindhárom tömeg-sajátállapot lineáris kombinációjaként, és fordítva, és a keveredés leírható a Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) mátrixnak nevezett egységes mátrixszal (3,4) ,3). Ez a XNUMX dimenziós egységes keverőmátrix három keverési szöggel és összetett fázissal paraméterezhető. Ezen összetett fázisok közül a neutrínó oszcillációja csak egy fázisra érzékeny, az úgynevezett 𝛿𝐶𝑃, és ez a CP-sértés egyedülálló forrása a lepton szektorban. 𝛿𝐶𝑃 bármely értéket felvehet a –180° és 180° tartományban. Míg 𝛿𝐶𝑃A =0,±180° azt jelenti, hogy a neutrínók és az antineutrínók azonosan viselkednek, és a CP megmarad, 𝛿𝐶𝑃A =±90° maximális CP-sértést jelez a Standard Modell lepton szektorában. Bármilyen köztes érték a CP különböző mértékű megsértését jelzi. Ezért a 𝛿 mérése𝐶𝑃 a neutrínófizikai közösség egyik legfontosabb célja.

Lengési paraméterek mérése

A neutrínók nagy mennyiségben keletkeznek nukleáris reakciók során, például a Napban, más csillagokban és szupernóvákban. A Föld légkörében is keletkeznek a nagy energiájú kozmikus sugarak és az atommagok kölcsönhatása révén. Ahhoz, hogy fogalmunk legyen a neutrínó fluxusáról, másodpercenként körülbelül 100 billió halad át rajtunk. De nem is vesszük észre, mivel nagyon gyengén hatnak egymásra. Emiatt a neutrínók tulajdonságainak mérése a neutrínó oszcillációs kísérletek során komoly kihívást jelent!

Neutrinó oszcillációs kísérletek
Forrás: Wikipédia (5. hivatkozás)

E megfoghatatlan részecskék mérésére a neutrínódetektorok nagyok, kilotonnás tömegűek, és a kísérletek több évbe telnek, míg statisztikailag szignifikáns eredményeket érnek el. Gyenge kölcsönhatásaik miatt a tudósoknak körülbelül 25 évbe telt az első neutrínó kísérleti kimutatása, miután Pauli 1932-ben feltételezte jelenlétüket, hogy megmagyarázza az energia-impulzus megmaradását a nukleáris béta-bomlás során (az (5) ábrán látható).

A tudósok mindhárom keverési szöget több mint 90%-os pontossággal, 99.73%-os (3𝜎) megbízhatósággal (6) mérték meg. A keverési szögek közül kettő nagy, hogy megmagyarázza a nap- és légköri neutrínók rezgését, a harmadik szög (a 𝜃13) kicsi, a legjobban illeszkedő érték körülbelül 8.6°, és kísérletileg csak a közelmúltban, 2011-ben mérték a Daya-Bay nevű reaktorneutrínó kísérlet során Kínában. A PMNS mátrixban a fázis 𝛿𝐶𝑃 csak a sin𝜃 kombinációban jelenik meg13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, kísérleti mérés készítése 𝛿𝐶𝑃 nehéz.

Azt a paramétert, amely számszerűsíti a CP-sértés mértékét mind a kvark, mind a neutrínó szektorban, a Jarlskog invariánsnak nevezik.𝐶𝑃 (7), amely a keverési szögek és a CP-sértő fázis függvénye. A kvark szektor számára 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , míg a neutrínó-szektornak 𝐽𝐶𝑃~0.033 bűn𝛿𝐶𝑃, és így akár három nagyságrenddel is nagyobb lehet, mint 𝐽𝐶𝑃 a kvark szektorban, a 𝛿 értékétől függően𝐶𝑃.

A T2K eredménye – tipp az anyag-antianyag aszimmetria rejtélyének megoldására

A hosszú alapvonalú T2K neutrínó oszcillációs kísérletben (Japánban Tokai-Kamioka) neutrínó- vagy antineutrínó nyalábokat generálnak a Japan Proton Accelerator Research Complex-ben (J-PARC), amelyeket a Super-Kamiokande Water-Cerenkov detektorán észlelnek. miután 295 km-t megtett a Földön. Mivel ez a gyorsító bármelyik 𝜈 sugarát képes előállítani𝜇 vagy annak antirészecskéje 𝜈̅𝜇, és a detektor képes érzékelni 𝜈𝜇,𝜈𝑒 és antirészecskéik 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, négy különböző oszcillációs folyamatból nyernek eredményt, és képesek elvégezni az elemzést, hogy hatékony korlátokat kapjanak az oszcillációs paraméterekre. Azonban a CP-sértő szakasz 𝛿𝐶𝑃 csak abban a folyamatban jelenik meg, amikor a neutrínók ízt váltanak, azaz a 𝜈𝜇→𝜈𝑒 és 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 rezgésekben – e két folyamat bármely eltérése CP-sértést jelentene a lepton szektorban.

A 2-ben és 2009-ban gyűjtött adatok elemzése során a T2018K együttműködés a neutrínó-szektorban előforduló CP-sértés érdekes határairól számolt be egy közelmúltbeli közleményben (8). Ez az új eredmény az összes lehetséges 𝛿 érték 42%-át zárta ki𝐶𝑃. Ennél is fontosabb, hogy azt az esetet, amikor a CP konzervált, 95%-os megbízhatósággal kizárták, ugyanakkor a természetben a maximális CP-sértést részesítik előnyben.

A nagyenergiájú fizika területén egy új felfedezés állításához 5𝜎 (azaz 99.999%-os) megbízhatóság szükséges, ezért a következő generációs kísérletek szükségesek ahhoz, hogy elegendő statisztikai adatot és nagyobb pontosságot kapjunk a CP-sértő fázis felfedezéséhez. A közelmúltban elért T2K-eredmény azonban jelentős előrelépést jelent az Univerzum anyag-antianyag aszimmetriájának megértésében a neutrínó-szektorban bekövetkezett CP-sértés révén.

***

Referenciák:

1. Sakharov, Andrei D., 1991. „Az univerzum CP invarianciájának, C aszimmetriájának és barion aszimmetriájának megsértése”. Szovjet Fizika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Bevezetés a leptogenezisbe és a neutrínók tulajdonságaiba. Kortárs Fizika 53. évfolyam, 2012 – 4. szám, 315-338. oldal. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. és Sakata S., 1962. Megjegyzések az elemi részecskék egységes modelljéhez. Progress of Theoretical Physics, 28. kötet, 5. szám, 1962. november, 870–880. oldal, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. INVERZ BÉTA FOLYAMATOK ÉS A LEPTON-TÖLTÉS NEM TARTOZÁSA. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (1958. január). Online elérhető http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Hozzáférés dátuma: 23. április 2020.

5. Induktív terhelés, 2007. Béta-mínusz bomlás. [image online] Elérhető itt https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Hozzáférés: 23. április 2020.

6. Tanabashi M. et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrinó tömegek, keveredés és oszcillációk, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) és 2019-es frissítés. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog válaszol. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. The T2K Collaboration, 2020. Az anyag-antianyag szimmetriát sértő fázis megkötése a neutrínó oszcillációiban. Nature 580. kötet, 339–344. oldal (2020). Közzétéve: 15. április 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***

Shamayita Ray PhD
Shamayita Ray PhD
Space Physics Laboratory, VSSC, Trivandrum, India.

Iratkozzon fel hírlevelünkre

A legfrissebb hírekkel, ajánlatokkal és külön értesítésekkel kell frissíteni.

Legnépszerűbb cikkek

Oroszország regisztrálja a világ első oltóanyagát a COVID-19 ellen: lehet-e biztonságos vakcina...

A hírek szerint Oroszország regisztrálta a világ első vakcináját...

Halhatatlanság: Az emberi elme feltöltése a számítógépekre?!

Az ambiciózus küldetés, hogy az emberi agyat a...

275 millió új genetikai változatot fedeztek fel 

A kutatók 275 millió új genetikai változatot fedeztek fel...
- Reklám -
94,882VentilátorokMint
47,770KövetőKövesse
1,772KövetőKövesse
30ElőfizetőkFeliratkozás