T2K, a long-baseline neitrīno oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of neitrīno and that of the corresponding antimatter counterpart, anti-neutrinos. This observation hints at explaining one of the biggest mysteries of science – an explanation for the domination of jautājums iekš Visums over antimatter, and thus our very existence.
Jūsu darbs IR Klientu apkalpošana jautājums-antimatter asymmetry of the Visums
According to the theory of Cosmology, particles and their antiparticles were produced in pairs from radiation during Big-Bang. Antiparticles are antimatters having nearly same physical properties as their jautājums counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the Visums exists and is made up of only matter indicates that some matter-antimatter symmetry was broken during the course of Big-Bang, because of which the pairs could not annihilate completely producing radiation again. Physicists are still looking for signatures of CP-symmetry violation, which in turn can explain the broken matter-antimatter symmetry in the early Visums.
CP-symmetry is the product of two different symmetries – charge-conjugation (C) and parity-reversal (P). Charge-conjugation C when applied on a charged-particle changes the sign of its charge, so a positively charged particle becomes negatively-charged and vice-versa. Neutral particles remain unchanged under the action of C. Parity-reversal symmetry reverses the spatial coordinates of the particle it is acting upon – so a right-handed particle becomes left-handed, similar to what happens when one stands in front of a mirror. Finally, when CP acts on a right-handed negatively-charged particle, it is converted into a left-handed positively-charged one, which is the antiparticle. Thus jautājums and antimatter are related to each other through CP-symmetry. Hence CP must have been violated in order to generate the observed matērijas-antimatērijas asimetrija, uz ko Saharovs pirmo reizi norādīja 1967. gadā (1).
Since gravitational, electromagnetic as well as strong interactions are invariant under CP-symmetry, the only place to look for CP-violation in Nature is in case of quarks and/or leptons, that interact through weak interaction. Until now, CP-violation has been measured experimentally in the quark-sector, however, it is too small to generate the estimated asymmetry of the Visums. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the Visums. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
Kāpēc neitrīni ir svarīgi?
neitrīno are the tiniest, massive particles of Nature with zero electric charge. Being electrically neutral, neitrīno cannot have electromagnetic interactions, and they do not have strong interactions either. Neutrinos have tiny masses of the order of 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), hence gravitational interaction is also very weak. The only way neitrīno can interact with other particles is through short-range weak interactions.
This weakly-interacting property of the neitrīno, however, makes them an interesting probe to study far away astrophysical objects. While even photons can be obscured, diffused and scattered by the dust, gas particles and background radiations present in the interstellar medium, neitrīno can pass mostly unhindered and reach the Earth-based detectors. In the current context, being weakly-interacting, neutrino-sector can be a viable candidate to contribute to the CP-violation.
Neitrīno svārstības un CP pārkāpums
Ir trīs veidu neitrīno (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 un 𝜈𝜏 - viens, kas saistīts ar katru leptonu, aromatizē elektronu (e), mionu (𝜇) un tau (𝜏). Neitrīnos tiek ražoti un atklāti kā garšas īpašības, izmantojot vāju mijiedarbību saistībā ar atbilstošās garšas lādēto leptonu, savukārt tie izplatās kā stāvokļi ar noteiktu masu, ko sauc par masas īpašībām. Tādējādi noteiktas garšas neitrīno staru kūlis avotā kļūst par visu trīs dažādo garšu sajaukumu noteikšanas punktā pēc tam, kad ir izbraucis cauri noteiktam ceļa garumam – dažādu garšas stāvokļu proporcija ir atkarīga no sistēmas parametriem. Šī parādība ir pazīstama kā neitrīno svārstības, kas padara šīs sīkās daļiņas ļoti īpašas!
Teorētiski katru no neitrīno garšas īpašībām var izteikt kā visu trīs masas īpašību lineāru kombināciju un otrādi, un sajaukšanos var aprakstīt ar unitāru matricu, ko sauc par Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matricu (3,4). ,3). Šo trīsdimensiju vienoto sajaukšanas matricu var parametrizēt ar trīs sajaukšanas leņķiem un sarežģītām fāzēm. No šīm sarežģītajām fāzēm neitrīno svārstības ir jutīgas tikai pret vienu fāzi, kuras nosaukums ir 𝛿𝐶𝑃, un tas ir unikāls CP pārkāpuma avots leptona sektorā. 𝛿𝐶𝑃 var pieņemt jebkuru vērtību diapazonā no –180° un 180°. Kamēr 𝛿𝐶𝑃=0,±180° nozīmē, ka neitrīno un antineitrīno uzvedas identiski un CP tiek saglabāts, 𝛿𝐶𝑃=±90° norāda uz maksimālo CP pārkāpumu standarta modeļa leptona sektorā. Jebkura starpvērtība norāda uz CP pārkāpumu dažādās pakāpēs. Tādējādi mērījums 𝛿𝐶𝑃 ir viens no svarīgākajiem neitrīno fizikas kopienas mērķiem.
Svārstību parametru mērīšana
Kodolreakciju laikā, piemēram, Saulē, citās zvaigznēs un supernovās, tiek ražoti daudz neitrīno. Tie rodas arī Zemes atmosfērā, mijiedarbojoties augstas enerģijas kosmiskajiem stariem ar atomu kodoliem. Lai iegūtu priekšstatu par neitrīno plūsmu, katru sekundi caur mums iziet aptuveni 100 triljoni. Bet mēs to pat nenojaušam, jo viņi ļoti vāji mijiedarbojas. Tas padara neitrīno īpašību mērīšanu neitrīno svārstību eksperimentu laikā par patiešām izaicinošu darbu!
Lai izmērītu šīs nenotveramās daļiņas, neitrīno detektori ir lieli, tiem ir kilotonnu masa, un eksperimenti prasa vairākus gadus, lai sasniegtu statistiski nozīmīgus rezultātus. To vājās mijiedarbības dēļ zinātniekiem bija nepieciešami aptuveni 25 gadi, lai eksperimentāli atklātu pirmo neitrīno pēc tam, kad Pauli 1932. gadā postulēja to klātbūtni, lai izskaidrotu enerģijas impulsa saglabāšanos kodola beta sabrukšanas gadījumā (parādīts attēlā (5)).
Zinātnieki ir izmērījuši visus trīs sajaukšanas leņķus ar vairāk nekā 90% precizitāti ar 99.73% (3𝜎) ticamību (6). Divi no sajaukšanas leņķiem ir lieli, lai izskaidrotu saules un atmosfēras neitrīno svārstības, trešais leņķis (nosaukts 𝜃13) ir maza, vispiemērotākā vērtība ir aptuveni 8.6°, un to eksperimentāli noteica tikai nesen 2011. gadā, veicot reaktora neitrīno eksperimentu Daya-Bay Ķīnā. PMNS matricā fāze 𝛿𝐶𝑃 parādās tikai kombinācijā sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, veicot eksperimentālus mērījumus 𝛿𝐶𝑃 grūti.
Parametrs, kas kvantitatīvi nosaka CP pārkāpuma apjomu gan kvarku, gan neitrīno sektoros, tiek saukts par Jarlskoga invariantu 𝐽𝐶𝑃 (7), kas ir sajaukšanas leņķu un CP pārkāpuma fāzes funkcija. Kvarku nozarei 𝐽𝐶𝑃~3 × 10-5 , savukārt neitrīno sektoram 𝐽𝐶𝑃~0.033 grēks𝛿𝐶𝑃, un tādējādi tas var būt par trim lieluma kārtām lielāks par 𝐽𝐶𝑃 kvarku sektorā atkarībā no 𝛿 vērtības𝐶𝑃.
T2K rezultāts – mājiens matērijas-antimatērijas asimetrijas noslēpuma atrisināšanai
Garās bāzes līnijas neitrīno svārstību eksperimentā T2K (Tokai-to-Kamioka Japānā) neitrīno vai anti-neitronu stari tiek ģenerēti Japānas protonu paātrinātāja pētniecības kompleksā (J-PARC) un tiek atklāti ūdens-Cerenkova detektorā Super-Kamiokande, pēc 295 km nobraukuma caur Zemi. Tā kā šis paātrinātājs var radīt starus no 𝜈𝜇 vai tā antidaļiņa 𝜈̅𝜇, un detektors var noteikt 𝜈𝜇,𝜈𝑒 un to antidaļiņām 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, tiem ir rezultāti no četriem dažādiem svārstību procesiem un tie var veikt analīzi, lai iegūtu efektīvas svārstību parametru robežas. Tomēr KP pārkāpuma fāze 𝛿𝐶𝑃 parādās tikai procesā, kad neitrīni maina garšas, ti, svārstībās 𝜈𝜇→𝜈𝑒 un 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – jebkura atšķirība šajos divos procesos nozīmētu CP pārkāpumu leptona sektorā.
Nesenā paziņojumā T2K sadarbība ir ziņojusi par interesantām robežām attiecībā uz CP pārkāpumiem neitrīno sektorā, analizējot 2009. un 2018. gadā savāktos datus (8). Šis jaunais rezultāts izslēdza aptuveni 42% no visām iespējamajām 𝛿 vērtībām𝐶𝑃. Vēl svarīgāk ir tas, ka gadījums, kad CP ir saglabāts, ir izslēgts ar 95% ticamību, un tajā pašā laikā dabā priekšroka tiek dota maksimālajam CP pārkāpumam.
In the field of high-energy physics, a 5𝜎 (i.e. 99.999%) confidence is required for claiming a new discovery, therefore next generation experiments are required to get sufficient statistics and higher precision for the discovery of the CP-violating phase. However recent T2K result is a significant development towards our understanding of the matter-antimatter asymmetry of the Visums through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
***
Norādes:
1. Saharovs, Andrejs D., 1991. ''Visuma CP invariances, C asimetrijas un bariona asimetrijas pārkāpums''. Padomju fizika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Ievads leptoģenēzē un neitrīno īpašībām. Mūsdienu fizika 53. sējums, 2012 – 4. izdevums, 315.-338. lpp. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. un Sakata S., 1962. Piezīmes par elementārdaļiņu vienoto modeli. Teorētiskās fizikas gaita, 28. sējums, 5. izdevums, 1962. gada novembris, 870.–880. lpp., DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERSE BETA PROCESI UN LEPTONA LĀDINĀJUMA NESAGLABĀŠANA. Eksperimentālās un teorētiskās fizikas žurnāls (PSRS) 34, 247-249 (1958. gada janvāris). Pieejams tiešsaistē http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Skatīts 23. gada 2020. aprīlī.
5. Induktīvā slodze, 2007. Beta-mīnus samazināšanās. [attēls tiešsaistē] Pieejams plkst https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Skatīts 23. gada 2020. aprīlī.
6. Tanabashi M., et al. (Daļiņu datu grupa), 2018. Neitrīno masas, sajaukšanās un svārstības, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) un 2019. gada atjauninājums. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Responds. Fizik. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Ierobežojums matērijas un antimatērijas simetriju pārkāpjošajai fāzei neitrīno svārstībās. Daba 580. sējums, 339.–344. lpp.(2020). Publicēts: 15. gada 2020. aprīlī. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
