T2K, gara bāzes līnija neitrīno svārstību eksperiments Japānā nesen ziņoja par novērojumu, kurā viņi atklāja spēcīgus pierādījumus par atšķirībām starp pamata fizikālajām īpašībām. neitrīno un atbilstošā antimateriāla līdzinieka anti-neitrīna. Šis novērojums liek izskaidrot vienu no lielākajiem zinātnes noslēpumiem - izskaidrojumu dominēšanai jautājums iekš Visums pār antimatēriju un līdz ar to arī mūsu eksistenci.
Jūsu darbs IR Klientu apkalpošana jautājums-Antimatērijas asimetrija Visums
Saskaņā ar kosmoloģijas teoriju daļiņas un to antidaļiņas tika ražotas pa pāriem no starojuma Lielā sprādziena laikā. Antidaļiņas ir antivielas, kurām ir gandrīz tādas pašas fizikālās īpašības kā tām jautājums līdzinieki, ti, daļiņas, izņemot elektrisko lādiņu un magnētiskās īpašības, kas ir apgrieztas. Tomēr Visums eksistē un sastāv tikai no matērijas, norāda, ka Lielā sprādziena laikā tika izjaukta kāda matērijas-antimatērijas simetrija, kā dēļ pāri nevarēja pilnībā iznīcināt, atkal radot starojumu. Fiziķi joprojām meklē CP simetrijas pārkāpuma parakstus, kas savukārt var izskaidrot matērijas-antimatērijas simetriju agrīnā stadijā. Visums.
CP-simetrija ir divu dažādu simetriju rezultāts – lādiņa konjugācija (C) un paritātes maiņa (P). Uzlādes konjugācija C, kad to piemēro lādētai daļiņai, maina tās lādiņa zīmi, tāpēc pozitīvi lādēta daļiņa kļūst negatīvi lādēta un otrādi. C iedarbībā neitrālās daļiņas paliek nemainīgas. Paritātes maiņas simetrija maina daļiņas, uz kuru tā iedarbojas, telpiskās koordinātas – tādējādi labās puses daļiņa kļūst par kreiso, līdzīgi tam, kas notiek, stāvot spoguļa priekšā. Visbeidzot, kad CP iedarbojas uz labās puses negatīvi lādētu daļiņu, tā tiek pārveidota par kreiso pozitīvi lādētu daļiņu, kas ir antidaļiņa. Tādējādi jautājums un antimateriāls ir saistīti viens ar otru caur CP-simetriju. Līdz ar to KP ir jābūt pārkāptam, lai ģenerētu novēroto matērijas-antimatērijas asimetrija, uz ko Saharovs pirmo reizi norādīja 1967. gadā (1).
Tā kā gravitācijas, elektromagnētiskā, kā arī spēcīga mijiedarbība ir nemainīga saskaņā ar CP simetriju, vienīgā vieta, kur meklēt CP pārkāpumu dabā, ir kvarku un/vai leptonu gadījumā, kas mijiedarbojas ar vāju mijiedarbību. Līdz šim CP pārkāpums tika mērīts eksperimentāli kvarku sektorā, tomēr tas ir pārāk mazs, lai radītu aplēsto kvarku asimetriju. Visums. Tāpēc fiziķus īpaši interesē izpratne par CP pārkāpumiem leptona sektorā, lai saprastu Visums. CP pārkāpumu leptona sektorā var izmantot, lai izskaidrotu matērijas un antimatērijas asimetriju, izmantojot procesu, ko sauc par leptoģenēzi (2).
Kāpēc neitrīni ir svarīgi?
neitrīno ir mazākās, masīvākās dabas daļiņas ar nulles elektrisko lādiņu. Būdams elektriski neitrāls, neitrīno nevar būt elektromagnētiskas mijiedarbības, un tiem nav arī spēcīgas mijiedarbības. Neitrīno masas ir 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), tāpēc arī gravitācijas mijiedarbība ir ļoti vāja. Vienīgais ceļš neitrīno var mijiedarboties ar citām daļiņām, izmantojot neliela attāluma vāju mijiedarbību.
Šis vāji mijiedarbīgais īpašums neitrīnotomēr padara tos par interesantu zondi tālu astrofizisku objektu pētīšanai. Kaut arī starpzvaigžņu vidē esošie putekļi, gāzes daļiņas un fona starojums var aizēnot, izkliedēt un izkliedēt pat fotonus, neitrīno var pārsvarā netraucēti šķērsot un sasniegt uz Zemes bāzētos detektorus. Pašreizējā kontekstā, būdams vāji mijiedarbīgs, neitrīno sektors var būt dzīvotspējīgs kandidāts, lai veicinātu CP pārkāpumu.
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.
Augstas enerģijas fizikas jomā jauna atklājuma pieprasīšanai ir nepieciešama 5𝜎 (ti, 99.999%) ticamība, tāpēc ir nepieciešami nākamās paaudzes eksperimenti, lai iegūtu pietiekamu statistiku un lielāku precizitāti CP pārkāpuma fāzes atklāšanai. Tomēr nesenais T2K rezultāts ir nozīmīgs virziens mūsu izpratnei par matērijas un antimatērijas asimetriju Visums ar CP pārkāpumu neitrīno sektorā, pirmo reizi.
***
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
***
