T2K, a long-baseline neutrino oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of neutrinos 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 matter in the Вселена over antimatter, and thus our very existence.
The matter-antimatter asymmetry of the Вселена
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 matter counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the Вселена 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 Вселена.
CP-симетрията е продукт на две различни симетрии – конюгиране на заряд (C) и обръщане на четността (P). Конюгирането на заряда C, когато се прилага върху заредена частица, променя знака на нейния заряд, така че положително заредена частица става отрицателно заредена и обратно. Неутралните частици остават непроменени под действието на C. Симетрията с обръщане на четността обръща пространствените координати на частицата, върху която действа – така че дясната частица става лява, подобно на това, което се случва, когато човек застане пред огледало. И накрая, когато CP действа върху дясна отрицателно заредена частица, тя се превръща в лява положително заредена, която е античастицата. Така материята и антиматерията са свързани помежду си чрез CP-симетрия. Следователно CP трябва да е бил нарушен, за да се генерира наблюдаваното асиметрия материя-антиматерия, което е посочено за първи път от Сахаров през 1967 г. (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 Вселена. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the Вселена. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
Защо неутриното са важни?
неутрино are the tiniest, massive particles of Nature with zero electric charge. Being electrically neutral, неутрино 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 неутрино can interact with other particles is through short-range weak interactions.
This weakly-interacting property of the неутрино, 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, неутрино 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.
Неутрино осцилация и CP-нарушение
Има три вида неутрино (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 и 𝜈𝜏 – one associated with each lepton flavours electron (e), muon (𝜇) and tau (𝜏). Neutrinos are produced and detected as flavour-eigenstates via weak interactions in association with the charged lepton of corresponding flavour, while they propagate as states with definite masses, called mass-eigenstates. Thus a neutrino beam of definite flavour at the source becomes a mixture of all three different flavours at the point of detection after travelling through some path-length – the proportion of different flavour states being dependent on parameters of the system. This phenomenon is known as neutrino oscillation, which makes these tiny particles very special!
Теоретично, всяко от собствените състояния на вкуса на неутрино може да бъде изразено като линейна комбинация от трите масови собствени състояния и обратно, а смесването може да бъде описано с единна матрица, наречена Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) матрица (3,4 ,3). Тази триизмерна единна смесителна матрица може да бъде параметризирана от три ъгъла на смесване и сложни фази. От тези сложни фази, неутриното трептене е чувствително само към една фаза, наречена 𝛿𝐶𝑃, и това е уникалният източник на CP-нарушение в лептонния сектор. 𝛿𝐶𝑃 може да приеме всяка стойност в диапазона -180° и 180°. Докато 𝛿𝐶𝑃=0,±180° означава, че неутрино и антинеутрино се държат идентично и CP се запазва, 𝛿𝐶𝑃=±90° показва максимално CP-нарушение в лептонния сектор на Стандартния модел. Всяка междинна стойност е показателна за CP-нарушение в различна степен. Оттук и измерване на 𝛿𝐶𝑃 е една от най-важните цели на общността по неутрино физика.
Измерване на параметри на трептене
Неутрино се произвеждат в изобилие по време на ядрени реакции, като тези в Слънцето, други звезди и свръхнови. Те също се произвеждат в земната атмосфера чрез взаимодействието на високоенергийните космически лъчи с атомните ядра. За да имаме представа за потока от неутрини, около 100 трилиона преминават през нас всяка секунда. Но ние дори не го осъзнаваме, тъй като те са много слабо взаимодействащи. Това прави измерването на свойствата на неутрино по време на експериментите с неутрино осцилация наистина предизвикателна работа!
За измерване на тези неуловими частици детекторите за неутрино са големи, с килотонове маса и експериментите отнемат няколко години, за да постигнат статистически значими резултати. Поради слабите им взаимодействия, на учените са били необходими около 25 години, за да открият първото неутрино експериментално, след като Паули постулира тяхното присъствие през 1932 г., за да обясни запазването на енергията и импулса при ядрения бета разпад (показан на фигура (5)).
Учените са измервали и трите ъгъла на смесване с повече от 90% точност при 99.73% (3𝜎) достоверност (6). Два от ъглите на смесване са големи, за да обяснят колебанията на слънчевите и атмосферните неутрино, третият ъгъл (наречен 𝜃13) е малка, най-подходящата стойност е приблизително 8.6° и беше измерена експериментално едва наскоро през 2011 г. от реакторния неутрино експеримент Daya-Bay в Китай. В PMNS матрицата фазата 𝛿𝐶𝑃 се появява само в комбинацията sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, извършване на експериментално измерване на 𝛿𝐶𝑃 трудно.
Параметърът, който определя количествено количеството CP-нарушение както в кварковите, така и в неутрино-сектора, се нарича инвариант на Jarlskog 𝐽𝐶𝑃 (7), което е функция на ъглите на смесване и CP-нарушаващата фаза. За кварковия сектор 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , докато за неутрино-сектора 𝐽𝐶𝑃~0.033 sin𝛿𝐶𝑃, и по този начин може да бъде до три порядъка по-голям от 𝐽𝐶𝑃 в кварковия сектор, в зависимост от стойността на 𝛿𝐶𝑃.
Резултат от T2K – намек за разрешаване на мистерията на асиметрията материя-антиматерия
В експеримента с неутрино осцилация с дълга базова линия T2K (Tokai-to-Kamioka в Япония), неутрино или антинеутрино лъчи се генерират в японския изследователски комплекс за протонни ускорители (J-PARC) и се откриват в детектора Water-Cerenkov в Super-Kamiokande, след като измина 295 км разстояние през Земята. Тъй като този ускорител може да произвежда лъчи от 𝜈𝜇 или неговата античастица 𝜈̅𝜇 и детекторът може да открие 𝜈𝜇,𝜈𝑒 и техните античастици 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, те имат резултати от четири различни процеса на трептене и могат да извършат анализа, за да получат ефективни граници на параметрите на трептене. Въпреки това, фазата на нарушаване на CP 𝛿𝐶𝑃 се появява само в процеса, когато неутрино променят вкуса, т.е. в осцилациите 𝜈𝜇→𝜈𝑒 и 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – всяка разлика в тези два процеса би означавала CP-нарушение в лептонния сектор.
В неотдавнашно съобщение сътрудничеството T2K съобщи за интересни граници на CP-нарушението в сектора на неутрините, анализирайки данните, събрани през 2009 и 2018 г. (8). Този нов резултат изключи около 42% от всички възможни стойности на 𝛿𝐶𝑃. По-важното е, че случаят, когато CP е запазен, е изключен при 95% доверие и в същото време максималното CP-нарушение изглежда е предпочитано в природата.
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 Вселена through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
***
Литература:
1. Сахаров, Андрей Д., 1991. „Нарушение на CP инвариантността, C асиметрията и барионната асиметрия на Вселената“. Успехи по съветска физика, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Въведение в лептогенезата и свойствата на неутрино. Съвременна физика, том 53, 2012 – брой 4 Стр. 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Маки З., Накагава М. и Саката С., 1962 г. Забележки за унифицирания модел на елементарните частици. Напредък на теоретичната физика, том 28, брой 5, ноември 1962 г., страници 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ОБРАТНИ БЕТА ПРОЦЕСИ И НЕСЪХРАНЯВАНЕ НА ЛЕПТОНОВ ЗАРЯД. Вестник по експериментална и теоретична физика (СССР) 34, 247-249 (януари, 1958 г.). Предлага се онлайн http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Посетен на 23 април 2020 г.
5. Inductiveload, 2007. Бета-минус разпадане. [изображение онлайн] Предлага се на адрес https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Посетен на 23 април 2020 г.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Mass, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) и актуализация за 2019 г. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog отговаря. физ. преп. Лет. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Ограничение на фазата на нарушаване на симетрията материя-антиматерия при неутрино осцилации. Nature том 580, стр.339–344 (2020). Публикувано: 15 април 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
