T2K, pitkä perusviiva neutriino oskillaatiokokeessa Japanissa, on äskettäin raportoitu havainnosta, jossa he ovat havainneet vahvan todisteen erosta perusfysikaalisten ominaisuuksien välillä. neutriinot ja vastaavan antiainevastineen, anti-neutriinojen. Tämä havainto vihjaa selittämään yhden tieteen suurimmista mysteereistä – selityksen tieteen hallitsemiselle asia vuonna CasinoUniverse yli antimateriaalin ja siten koko olemassaolomme.
- asia-Antimateriaalin epäsymmetria CasinoUniverse
Kosmologian teorian mukaan hiukkaset ja niiden antihiukkaset tuotettiin pareittain säteilystä Big-Bangin aikana. Antihiukkaset ovat antimateriaaleja, joilla on lähes samat fysikaaliset ominaisuudet kuin niillä asia vastineet eli hiukkaset, paitsi sähkövaraus ja magneettiset ominaisuudet, jotka ovat käänteisiä. Kuitenkin CasinoUniverse on olemassa ja koostuu vain aineesta osoittaa, että jokin aine-antiaine-symmetria rikkoutui alkuräjähdyksen aikana, minkä vuoksi parit eivät voineet tuhota kokonaan tuottaen säteilyä uudelleen. Fyysikot etsivät edelleen allekirjoituksia CP-symmetrian rikkomisesta, mikä puolestaan voi selittää rikkinäisen aine-antimateriaali-symmetrian alkuvaiheessa. CasinoUniverse.
CP-symmetria on kahden eri symmetrian – varauskonjugaation (C) ja pariteetin kääntämisen (P) tulos. Varauskonjugaatio C, kun sitä sovelletaan varautuneeseen hiukkaseen, muuttaa sen varauksen etumerkkiä, joten positiivisesti varautunut hiukkanen tulee negatiivisesti varautuneeksi ja päinvastoin. Neutraalit hiukkaset pysyvät muuttumattomina C:n vaikutuksesta. Pariteetin kääntösymmetria kääntää sen hiukkasen tilakoordinaatit, johon se vaikuttaa – joten oikeakätinen hiukkanen muuttuu vasenkätiseksi, samalla tavalla kuin peilin edessä seisottaessa. Lopuksi, kun CP vaikuttaa oikeakätiseen negatiivisesti varautuneeseen hiukkaseen, se muuttuu vasenkätiseksi positiivisesti varautuneeksi hiukkaseksi, joka on antihiukkanen. Täten asia ja antimateria liittyvät toisiinsa CP-symmetrian kautta. Tästä syystä CP:tä on täytynyt rikota, jotta havaittu saadaan aikaan aine-antimateriaali epäsymmetria, jonka Saharov korosti ensimmäisen kerran vuonna 1967 (1).
Koska gravitaatio, sähkömagneettinen ja vahva vuorovaikutus ovat muuttumattomia CP-symmetriassa, ainoa paikka etsiä CP-rikkomusta luonnosta on kvarkeista ja/tai leptoneista, jotka ovat vuorovaikutuksessa heikon vuorovaikutuksen kautta. Tähän asti CP-rikkomusta on mitattu kokeellisesti kvarkkisektorilla, mutta se on liian pieni muodostamaan arvioitua epäsymmetriaa. CasinoUniverse. Siksi CP-rikkomuksen ymmärtäminen lepton-sektorilla on erityisen kiinnostavaa fyysikoille ymmärtääkseen CasinoUniverse. Lepton-sektorin CP-rikkomuksen avulla voidaan selittää aineen ja antiaineen epäsymmetriaa leptogeneesiksi kutsutun prosessin kautta (2).
Miksi neutriinot ovat tärkeitä?
neutriinot ovat luonnon pienimmät, massiiviset hiukkaset, joilla ei ole sähkövarausta. Sähköisesti neutraali, neutriinot niillä ei voi olla sähkömagneettista vuorovaikutusta, eikä niillä ole myöskään voimakasta vuorovaikutusta. Neutriinojen massat ovat luokkaa 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), siksi myös gravitaatiovuorovaikutus on erittäin heikko. Ainoa tapa neutriinot voi olla vuorovaikutuksessa muiden hiukkasten kanssa lyhyen kantaman heikkojen vuorovaikutusten kautta.
Tämä heikosti vuorovaikutteinen ominaisuus neutriinottekee niistä kuitenkin mielenkiintoisen luotain kaukaisten astrofysikaalisten kohteiden tutkimiseen. Vaikka tähtienvälisessä väliaineessa oleva pöly, kaasuhiukkaset ja taustasäteily voivat peittää, hajottaa ja sirottaa jopa fotoneja, neutriinot voivat kulkea enimmäkseen esteettömästi ja saavuttaa maanpäälliset ilmaisimet. Nykyisessä tilanteessa neutrinosektori voi olla heikosti vuorovaikutteinen, joten se voi olla varteenotettava ehdokas osallistumaan CP-rikkomukseen.
Neutriinovärähtely ja CP-rikkomus
On olemassa kolmenlaisia neutriinoja (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈μ ja 😍𝜏 – jokaiseen leptoniin liittyy yksi makuelämys elektronille (e), myonille (𝜇) ja tau:lle (𝜏). Neutriinot tuotetaan ja havaitaan maku-ominaisuuden kautta heikoilla vuorovaikutuksilla yhdessä vastaavan maun varautuneen leptonin kanssa, kun taas ne leviävät tiloina, joilla on määrätty massa, eli massa-ominaistila. Siten lähteellä olevan selkeän maun neutriinosäde muuttuu kaikkien kolmen eri maun sekoitukseksi havaitsemispisteessä kulkiessaan jonkin polun pituuden – eri makutilojen osuus riippuu järjestelmän parametreista. Tämä ilmiö tunnetaan neutriinovärähtelynä, mikä tekee näistä pienistä hiukkasista hyvin erikoisia!
Teoreettisesti jokainen neutriinojen maku-ominaistila voidaan ilmaista kaikkien kolmen massa-ominaistilan lineaarisena yhdistelmänä ja päinvastoin, ja sekoittumista voidaan kuvata unitaarisella matriisilla nimeltä Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) -matriisi (3,4). ,3). Tämä XNUMX-ulotteinen yhtenäinen sekoitusmatriisi voidaan parametroida kolmella sekoituskulmalla ja monimutkaisilla vaiheilla. Näistä monimutkaisista vaiheista neutriinovärähtely on herkkä vain yhdelle faasille, nimeltään 𝛿𝐶𝑃, ja se on ainutlaatuinen CP-rikkomuksen lähde lepton-sektorilla. 𝛿𝐶𝑃 voi ottaa minkä tahansa arvon välillä −180° ja 180°. Kun 𝛿𝐶𝑃=0,±180° tarkoittaa, että neutriinot ja antineutriinot käyttäytyvät samalla tavalla ja CP säilyy, 𝛿𝐶𝑃=±90° osoittaa maksimaalisen CP-rikkomuksen standardimallin lepton-sektorissa. Kaikki väliarvot ovat osoitus CP-rikkomuksesta eri asteissa. Siksi mittaus 𝛿𝐶𝑃 on yksi neutriinofysiikan yhteisön tärkeimmistä tavoitteista.
Värähtelyparametrien mittaus
Neutriinoja syntyy runsaasti ydinreaktioiden aikana, kuten auringossa, muissa tähdissä ja supernoveissa. Niitä syntyy myös Maan ilmakehässä korkeaenergisten kosmisten säteiden vuorovaikutuksesta atomiytimien kanssa. Saadaksemme käsityksen neutriinovuosta, noin 100 biljoonaa kulkee läpimme joka sekunti. Mutta emme edes ymmärrä sitä, koska he ovat hyvin heikosti vuorovaikutuksessa. Tämä tekee neutriinojen ominaisuuksien mittaamisesta neutriinovärähtelykokeiden aikana todella haastavan työn!
Näiden vaikeasti havaittavien hiukkasten mittaamiseksi neutriinoilmaisimet ovat suuria, kilotonnia massaa ja kokeet kestävät useita vuosia saavuttaakseen tilastollisesti merkittäviä tuloksia. Niiden heikkojen vuorovaikutusten vuoksi tutkijoilta kesti noin 25 vuotta havaita ensimmäinen neutriino kokeellisesti sen jälkeen, kun Pauli oletti niiden läsnäolon vuonna 1932 selittääkseen energian vauhdin säilymisen ydinaineen beetan hajoamisessa (näkyy kuvassa (5)).
Tiedemiehet ovat mitanneet kaikki kolme sekoituskulmaa yli 90 % tarkkuudella 99.73 % (3𝜎) varmuudella (6). Kaksi sekoituskulmaa ovat suuria selittämään auringon ja ilmakehän neutriinojen värähtelyjä, kolmas kulma (nimeltään 𝜃13) on pieni, parhaiten sopiva arvo on noin 8.6°, ja se mitattiin kokeellisesti vasta äskettäin vuonna 2011 reaktorineutrinokokeessa Daya-Bayssa Kiinassa. PMNS-matriisissa vaihe 𝛿𝐶𝑃 esiintyy vain yhdistelmässä sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, kokeellisen mittauksen tekeminen 𝛿𝐶𝑃 vaikea.
Parametria, joka kvantifioi CP-rikkomuksen määrän sekä kvarkki- että neutriinosektorilla, kutsutaan Jarlskog-invariantiksi 𝐽𝐶𝑃 (7), joka on sekoituskulmien ja CP:tä rikkovan vaiheen funktio. Kvarkkisektorille 𝐽𝐶𝑃~3 × 10-5 , kun taas neutrinosektorille 𝐽𝐶𝑃~0.033 syntiä𝛿𝐶𝑃, ja siten se voi olla jopa kolme suuruusluokkaa suurempi kuin 𝐽𝐶𝑃 kvarkkisektorilla, riippuen 𝛿 arvosta𝐶𝑃.
T2K:n tulos – vihje aineen ja antiaineen epäsymmetrian mysteerin ratkaisemiseen
Pitkän perusviivan neutriinovärähtelykokeessa T2K (Tokai-to-Kamioka Japanissa) neutriino- tai antineutriinosäteitä tuotetaan Japanin protonikiihdytintutkimuskompleksissa (J-PARC) ja havaitaan Water-Cerenkov-ilmaisimessa Super-Kamiokandessa. 295 kilometrin matkan maan halki. Koska tämä kiihdytin voi tuottaa säteitä jommastakummasta 𝜈μ tai sen antihiukkanen 𝜈̅𝜇, ja ilmaisin pystyy havaitsemaan 𝜈μ,𝜈𝑒 ja niiden antihiukkaset 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, niillä on tuloksia neljästä eri värähtelyprosessista ja ne voivat suorittaa analyysin saadakseen tehokkaat rajat värähtelyparametreille. Kuitenkin CP:tä rikkova vaihe 𝛿𝐶𝑃 ilmestyy vain prosessissa, kun neutriinot vaihtavat makuja eli värähtelyissä 𝜈𝜇→𝜈𝑒 ja 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – mikä tahansa ero näissä kahdessa prosessissa merkitsisi CP-rikkomusta leptonisektorilla.
Äskettäisessä tiedonannossa T2K-yhteistyö on raportoinut mielenkiintoisista rajoista CP-rikkomuksessa neutrinosektorilla, analysoimalla vuosina 2009 ja 2018 kerättyä dataa (8). Tämä uusi tulos sulki pois noin 42% kaikista mahdollisista 𝛿 arvoista𝐶𝑃. Vielä tärkeämpää on, että tapaus, jossa CP on säilynyt, on suljettu pois 95 %:n varmuudella, ja samalla maksimaalinen CP-rikkomus näyttää olevan luonnossa suositeltavin.
Korkeaenergisen fysiikan alalla uuden löydön väittämiseen vaaditaan 5𝜎 (eli 99.999 %) luottamusta, joten seuraavan sukupolven kokeita tarvitaan riittävän tilaston ja korkeamman tarkkuuden saamiseksi CP:tä rikkovan vaiheen löytämiseen. Tuore T2K-tulos on kuitenkin merkittävä edistysaskel kohti ymmärrystämme aineen ja antiaineen epäsymmetriasta CasinoUniverse CP-rikkomuksen kautta neutriinosektorilla, ensimmäistä kertaa.
***
Viitteet:
1. Saharov,Andrei D., 1991. ''Universumin CP-invarianssin, C-epäsymmetrian ja baryoniepäsymmetrian rikkominen''. Neuvostoliiton fysiikka Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Johdatus leptogeneesiin ja neutriinojen ominaisuuksiin. Contemporary Physics, nide 53, 2012 – numero 4, sivut 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. ja Sakata S., 1962. Huomautuksia alkuainehiukkasten yhtenäisestä mallista. Progress of Theoretical Physics, osa 28, numero 5, marraskuu 1962, sivut 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. KÄÄNTEISTÄ BETA-PROSESSIT JA LEPTON-VARAUKSEN SÄILYTTÄMINEN. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (tammikuu 1958). Saatavilla verkossa http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Käytetty 23.
5. Induktiivinen kuormitus, 2007. Beta-miinus Decay. [image online] Saatavilla osoitteessa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Käytetty 23.
6. Tanabashi M., et ai. (Particle Data Group), 2018. Neutriinomassat, sekoittuminen ja värähtelyt, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) ja 2019 päivitys. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog vastaa. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Rajoite aine-antimateriaali -symmetriaa rikkovaan vaiheeseen neutriinovärähtelyissä. Luonto-teos 580, sivut 339–344(2020). Julkaistu: 15. huhtikuuta 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
