T2K, dolga osnovna linija nevtrino oscilacijski eksperiment na Japonskem, je pred kratkim poročal o opazovanju, kjer so odkrili močan dokaz razlike med temeljnimi fizikalnimi lastnostmi nevtrini in ustrezne antimaterijske protinevtrine. Ta ugotovitev namiguje na razlago ene največjih skrivnosti znanosti – razlago prevlade pomembno v Vesolje nad antimaterijo in s tem nad našim obstojem.
O pomembno- asimetrija antimaterije Vesolje
Po teoriji kozmologije so delci in njihovi antidelci nastali v parih zaradi sevanja med velikim pokom. Antidelci so antimaterije, ki imajo skoraj enake fizikalne lastnosti kot njihove pomembno delci, razen električnih nabojev in magnetnih lastnosti, ki so obrnjene. Vendar pa je Vesolje obstaja in je sestavljen samo iz snovi, kaže na to, da je bila nekaj simetrije snov-antimaterija porušena med potekom velikega poka, zaradi česar se pari niso mogli popolnoma uničiti in znova proizvajati sevanje. Fiziki še vedno iščejo znake kršitve CP-simetrije, ki bi lahko pojasnili zdrobljeno simetrijo snovi in antimaterije v zgodnjem Vesolje.
CP-simetrija je produkt dveh različnih simetrij – konjugacije naboja (C) in obračanja paritete (P). Konjugacija naboja C, ko se nanese na nabit delec, spremeni predznak njegovega naboja, tako da pozitivno nabit delec postane negativno nabit in obratno. Nevtralni delci ostanejo nespremenjeni pod delovanjem C. Simetrija paritetnega obrata obrne prostorske koordinate delca, na katerega deluje – tako desni delec postane levičar, podobno kot se zgodi, ko stojimo pred ogledalom. Končno, ko CP deluje na desnosučni negativno nabiti delec, se ta pretvori v levosučni pozitivno nabit delec, ki je antidelec. torej pomembno in antimaterija sta med seboj povezani preko CP-simetrije. Zato mora biti CP kršen, da se ustvari opazovano asimetrija snov-antimaterija, na kar je leta 1967 prvi opozoril Saharov (1).
Ker so gravitacijske, elektromagnetne in močne interakcije nespremenljive pod CP-simetrijo, je edino mesto, kjer lahko iščemo kršitev CP v naravi, kvarki in/ali leptoni, ki medsebojno delujejo prek šibke interakcije. Do zdaj je bila kršitev CP eksperimentalno izmerjena v sektorju kvarkov, vendar je premajhna, da bi ustvarila ocenjeno asimetrijo Vesolje. Zato je razumevanje kršitve CP v leptonskem sektorju posebnega pomena za fizike, da bi razumeli obstoj Vesolje. Kršitev CP v leptonskem sektorju se lahko uporabi za razlago asimetrije snov-antimaterija s procesom, imenovanim leptogeneza (2).
Zakaj so nevtrini pomembni?
Neutrino so najmanjši, masivni delci narave brez električnega naboja. Biti električno nevtralen, nevtrini ne morejo imeti elektromagnetnih interakcij in tudi nimajo močnih interakcij. Nevtrini imajo majhne mase reda 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), zato je tudi gravitacijska interakcija zelo šibka. Edina pot nevtrini lahko medsebojno deluje z drugimi delci prek šibkih interakcij kratkega dosega.
Ta šibko interakcijska lastnost nevtrini, pa so zanimiva sonda za preučevanje oddaljenih astrofizičnih objektov. Medtem ko lahko celo fotone zakrijejo, razpršijo in razpršijo prah, delci plina in sevanje ozadja, prisotno v medzvezdnem mediju, nevtrini lahko preide večinoma neovirano in doseže zemeljske detektorje. V trenutnem kontekstu je lahko nevtrinski sektor, ki ima šibko interakcijo, primeren kandidat za prispevanje k kršitvi CP.
Nevtrinsko nihanje in CP-kršitev
Obstajajo tri vrste nevtrinov (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 in 𝜈𝜏 – eden, povezan z vsakim leptonom, aromatizira elektron (e), mion (𝜇) in tau (𝜏). Nevtrini nastajajo in zaznavajo kot lastna stanja okusa prek šibkih interakcij v povezavi z nabitim leptonom ustreznega okusa, medtem ko se širijo kot stanja z določeno maso, imenovana lastna stanja mase. Tako žarek nevtrinov z določenim okusom pri izvoru postane mešanica vseh treh različnih okusov na točki zaznave po potovanju skozi določeno dolžino poti – delež različnih stanj okusa je odvisen od parametrov sistema. Ta pojav je znan kot nihanje nevtrinov, zaradi česar so ti drobni delci zelo posebni!
Teoretično lahko vsako lastno stanje okusa nevtrina izrazimo kot linearno kombinacijo vseh treh masnih lastnih stanj in obratno, mešanje pa lahko opišemo z enotno matriko, imenovano Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrika (3,4 ,3). To XNUMX-dimenzionalno enotno mešalno matriko je mogoče parametrizirati s tremi koti mešanja in kompleksnimi fazami. Od teh kompleksnih faz je nevtrinsko nihanje občutljivo samo na eno fazo, imenovano 𝛿𝐶𝑃, in je edinstven vir CP-kršitve v leptonskem sektorju. 𝛿𝐶𝑃 lahko sprejme katero koli vrednost v območju -180° in 180°. Medtem ko 𝛿𝐶𝑃=0,±180° pomeni, da se nevtrini in antinevtrini obnašajo identično in je CP ohranjen, 𝛿𝐶𝑃=±90° označuje največjo CP-kršitev v leptonskem sektorju standardnega modela. Vsaka vmesna vrednost kaže na kršitev CP v različnih stopnjah. Zato merjenje 𝛿𝐶𝑃 je eden najpomembnejših ciljev skupnosti nevtrinov fizike.
Merjenje parametrov nihanja
Nevtrini nastajajo v izobilju med jedrskimi reakcijami, kot so tisti v Soncu, drugih zvezdah in supernovah. Nastajajo tudi v Zemljini atmosferi z interakcijo visokoenergetskih kozmičnih žarkov z atomskimi jedri. Da bi imeli predstavo o nevtrinskem toku, vsako sekundo skozi nas preide približno 100 bilijonov. A tega se niti ne zavedamo, saj so zelo šibki v interakciji. Zaradi tega je merjenje lastnosti nevtrinov med eksperimenti z nevtrinskim nihanjem res zahtevno delo!
Za merjenje teh izmuzljivih delcev so detektorji nevtrinov veliki, saj imajo kilotonske mase in eksperimenti trajajo več let, da dosežejo statistično pomembne rezultate. Zaradi njunih šibkih interakcij so znanstveniki potrebovali približno 25 let, da so eksperimentalno odkrili prvi nevtrino, potem ko je Pauli leta 1932 predpostavil njihovo prisotnost, da bi pojasnil ohranjanje energije in zagona pri jedrskem beta razpadu (prikazano na sliki (5)).
Znanstveniki so izmerili vse tri kote mešanja z več kot 90-odstotno natančnostjo pri 99.73-odstotni (3𝜎) zanesljivosti (6). Dva kota mešanja sta velika za razlago nihanja sončnih in atmosferskih nevtrinov, tretji kot (imenovan 𝜃13) je majhna, najboljša vrednost je približno 8.6° in je bila eksperimentalno izmerjena šele pred kratkim leta 2011 z reaktorskim nevtrinskim poskusom Daya-Bay na Kitajskem. V matriki PMNS je faza 𝛿𝐶𝑃 se pojavlja samo v kombinaciji sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, eksperimentalno merjenje 𝛿𝐶𝑃 težko.
Parameter, ki kvantificira količino CP-kršitve tako v kvarkovih kot v nevtrinskih sektorjih, se imenuje Jarlskog invarianta 𝐽𝐶𝑃 (7), ki je funkcija mešalnih kotov in faze kršitve CP. Za sektor kvarkov 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , medtem ko za nevtrinski sektor 𝐽𝐶𝑃~0.033 sin𝛿𝐶𝑃, in je tako lahko do tri rede velikosti večja od 𝐽𝐶𝑃 v sektorju kvarkov, odvisno od vrednosti 𝛿𝐶𝑃.
Rezultat iz T2K – namig za reševanje skrivnosti asimetrije materije in antimaterije
V eksperimentu z nihanjem nevtrina T2K (Tokai-to-Kamioka na Japonskem) se nevtrinski ali antinevtrinski žarki generirajo v raziskovalnem kompleksu japonskega protonskega pospeševalnika (J-PARC) in zaznajo na detektorju Water-Cerenkov v Super-Kamiokande, po prepotovanju 295 km razdalje skozi Zemljo. Ker lahko ta pospeševalnik proizvaja žarke katerega koli 𝜈𝜇 ali njegov antidelec 𝜈̅𝜇 in detektor lahko zazna 𝜈𝜇,𝜈𝑒 in njihovi antidelci 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, imajo rezultate iz štirih različnih procesov nihanja in lahko izvedejo analizo, da dobijo učinkovite meje za parametre nihanja. Vendar pa faza kršitve CP 𝛿𝐶𝑃 se pojavi le v procesu, ko nevtrini spremenijo okuse, to je v nihanjih 𝜈𝜇→𝜈𝑒 in 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – vsaka razlika v teh dveh procesih bi pomenila CP-kršitev v leptonskem sektorju.
V nedavnem sporočilu je sodelovanje T2K poročalo o zanimivih mejah kršitve CP v sektorju nevtrinov, pri čemer je analiziralo podatke, zbrane v letih 2009 in 2018 (8). Ta novi rezultat je izključil približno 42 % vseh možnih vrednosti 𝛿𝐶𝑃. Še pomembneje je, da je bil primer, ko je CP ohranjen, izključen s 95-odstotno zanesljivostjo, hkrati pa se zdi, da je v naravi prednostna največja kršitev CP.
Na področju fizike visokih energij je za trditev o novem odkritju potrebna stopnja zaupanja 5𝜎 (tj. 99.999 %), zato so potrebni poskusi naslednje generacije, da se pridobi zadostna statistika in večja natančnost za odkritje faze, ki krši CP. Vendar je nedavni rezultat T2K pomemben napredek v smeri našega razumevanja asimetrije materija-antimaterija Vesolje prvič s kršitvijo CP v nevtrinskem sektorju.
***
Reference:
1. Saharov, Andrej D., 1991. ''Kršitev CP invariantnosti, C asimetrije in barionske asimetrije vesolja''. Sovjetska fizika Uspehi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Uvod v leptogenezo in lastnosti nevtrinov. Sodobna fizika, letnik 53, 2012 – številka 4, strani 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. in Sakata S., 1962. Opombe o enotnem modelu elementarnih delcev. Napredek teoretične fizike, letnik 28, številka 5, november 1962, strani 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERZNI BETA PROCESI IN NEOHRANJEVANJE LEPTONSKOG NABOJA. Časopis za eksperimentalno in teoretično fiziko (ZSSR) 34, 247-249 (januar, 1958). Na voljo na spletu http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Dostop 23. aprila 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [slika na spletu] Dostopno na https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Dostop 23. aprila 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Mass, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) in posodobitev 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog odgovori. fiz. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Omejitev na fazo, ki krši simetrijo materije in antimaterije v nevtrinskih nihanjih. Narava letnik 580, strani 339–344 (2020). Objavljeno: 15. 2020. XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
