Az Univerzum anyag-antianyag aszimmetriájának titkának leleplezése neutrínó oszcillációs kísérletekkel

T2K, egy hosszú alapvonal neutrino Egy Japánban végzett oszcillációs kísérletben nemrégiben beszámoltak egy megfigyelésről, amelyben erős bizonyítékot találtak arra, hogy különbségek vannak az alapvető fizikai tulajdonságok között. neutrínók és a megfelelő antianyag megfelelője, az anti-neutrínóé. Ez a megfigyelés a tudomány egyik legnagyobb titkának – a tudomány uralmának magyarázatát – sejteti mindegy a Világegyetem az antianyag felett, és így létünkön is.

A mindegy-antianyag aszimmetria a Világegyetem

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

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. És így mindegy és az antianyag a CP-szimmetrián keresztül kapcsolódnak 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 gyenge kölcsönhatáson keresztül kölcsönható kvarkok és/vagy leptonok esetében lehet keresni. Eddig a CP-sértést kísérletileg mérték a kvark szektorban, azonban ez túl kicsi ahhoz, hogy a becsült aszimmetriát generálja. Világegyetem. Ezért a CP-sértés megértése a lepton szektorban különösen érdekes a fizikusok számára, hogy megértsék a Világegyetem. 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 semleges, neutrínók nem lehet elektromágneses kölcsönhatás, és nincs is erős kölcsönhatásuk. A neutrínók kis tömege 0.1 eV (~ 2 × 10-)³⁷kg), ezért a gravitációs kölcsönhatás is nagyon gyenge. Az egyetlen módja neutrínók kölcsönhatásba léphet más részecskékkel rövid hatótávolságú gyenge kölcsönhatások révén.

Ez a gyengén kölcsönható tulajdonság a neutrínókazonban érdekes szondává teszi őket távoli asztrofizikai objektumok tanulmányozására. Míg a csillagközi közegben jelenlévő por, gázrészecskék és háttérsugárzás még a fotonokat is elfedheti, szórhatja és szétszórhatja, neutrínók többnyire akadálytalanul áthaladhatnak és elérhetik a földi detektorokat. 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) – 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 és 𝜈_𝜏 – minden leptonhoz egy-egy elektront (e), müont (𝜇) és tau-t (𝜏) ízesítenek. A neutrínók íz-sajátállapotként képződnek és detektálhatók gyenge kölcsönhatások révén a megfelelő íz töltött leptonjával, miközben meghatározott tömegű állapotokként, úgynevezett tömegsaját állapotokként terjednek. Így egy határozott ízű neutrínó nyaláb a forrásnál az észlelési ponton mindhárom különböző íz keverékévé válik, miután áthaladt valamilyen úthosszon – a különböző ízállapotok aránya a rendszer paramétereitől függ. Ezt a jelenséget neutrínó oszcillációnak nevezik, ami nagyon különlegessé teszi ezeket az apró részecskéket!

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 𝛿_𝐶𝑃, és ez a CP-sértés egyedülálló forrása a lepton szektorban. 𝛿_𝐶𝑃 bármely értéket felvehet a –180° és 180° tartományban. Míg 𝛿_𝐶𝑃A =0,±180° azt jelenti, hogy a neutrínók és az antineutrínók azonosan viselkednek, és a CP megmarad, 𝛿_𝐶𝑃A =±90° maximális CP-sértést jelez a Standard Modell lepton szektorában. Bármilyen köztes érték a CP különböző mértékű megsértését jelzi. Ezért a 𝛿 mérése_𝐶𝑃 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!

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 𝛿_𝐶𝑃 csak a sin𝜃 kombinációban jelenik meg₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} kísérleti mérés készítése 𝛿_𝐶𝑃 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 𝐽_𝐶𝑃~ 3 × 10^-5 , míg a neutrínó-szektornak 𝐽_𝐶𝑃~0.033 bűn𝛿_𝐶𝑃, és így akár három nagyságrenddel is nagyobb lehet, mint 𝐽_𝐶𝑃 a kvark szektorban, a 𝛿 értékétől függően_𝐶𝑃.

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 előállítani_𝜇 vagy annak antirészecskéje 𝜈̅𝜇, és a detektor képes érzékelni 𝜈_𝜇,𝜈_𝑒 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 𝛿_𝐶𝑃 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 ki_𝐶𝑃. 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. Azonban a közelmúltban elért T2K eredmény jelentős előrelépést jelent az anyag-antianyag aszimmetria megértése felé Világegyetem a neutrínó-szektorban történt CP-sértésen keresztül, először.

***

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

***