T2K, експеримент с неутрино трептене с дълга база в Япония, наскоро съобщи за наблюдение, при което са открили убедителни доказателства за разлика между фундаменталните физични свойства на неутриното и тези на съответстващия им антиматериален еквивалент, антинеутриното. Това наблюдение намеква за обяснение на една от най-големите мистерии на науката – обяснение за доминацията на материята във Вселената над антиматерията и по този начин за самото ни съществуване.
Асиметрията на материята и антиматерията във Вселената
Според теорията на космологията, частиците и техните античастици са се образували по двойки от радиация по време на Големия взрив. Античастиците са антиматерии, притежаващи почти същите физически свойства като своите материйни аналози, т.е. частици, с изключение на електрическия заряд и магнитните свойства, които са обърнати. Въпреки това, Вселената съществува и е съставена само от материя, което показва, че известна симетрия материя-антиматерия е била нарушена по време на Големия взрив, поради което двойките не са могли да се анихилират напълно, произвеждайки отново радиация. Физиците все още търсят признаци за нарушение на CP-симетрията, което от своя страна може да обясни нарушената симетрия материя-антиматерия в ранната Вселена.
CP-симетрията е продукт на две различни симетрии – спрежение на заряда (C) и обръщане на четността (P). Спречването на заряда C, когато се приложи върху заредена частица, променя знака на нейния заряд, така че положително заредената частица става отрицателно заредена и обратно. Неутралните частици остават непроменени под действието на C. Симетрията на обръщане на четността обръща пространствените координати на частицата, върху която действа – така че дясна частица става лява, подобно на това, което се случва, когато човек стои пред огледало. Накрая, когато CP действа върху дясна отрицателно заредена частица, тя се превръща в лява положително заредена, която е античастица. По този начин материята и антиматерията са свързани помежду си чрез CP-симетрия. Следователно CP трябва да е била нарушена, за да се генерира наблюдаваната асиметрия материя-антиматерия , която за първи път е посочена от Сахаров през 1967 г. (1).
Тъй като гравитационните, електромагнитните, както и силните взаимодействия са инвариантни спрямо CP-симетрията, единственото място, където може да се търси CP-нарушение в природата, е в случай на кварки и/или лептони, които взаимодействат чрез слабо взаимодействие. Досега CP-нарушението е било измервано експериментално в кварковия сектор, но то е твърде малко, за да генерира очакваната асиметрия на Вселената . Следователно разбирането на CP-нарушението в лептонния сектор е от особен интерес за физиците, за да разберат съществуването на Вселената . CP-нарушението в лептонния сектор може да се използва за обяснение на асиметрията материя-антиматерия чрез процес, наречен лептогенеза (2).
Защо неутриното са важни?
Неутриното са най-малките, масивни частици в природата с нулев електрически заряд. Тъй като са електрически неутрални, неутриното не може да има електромагнитни взаимодействия, нито пък силни взаимодействия. Неутриното има малки маси от порядъка на 0.1 eV (~ 2 × 10-37 kg ), следователно гравитационното взаимодействие също е много слабо. Единственият начин неутриното да взаимодейства с други частици е чрез слаби взаимодействия с къси разстояния.
Това слабо взаимодействащо свойство на неутриното обаче ги прави интересна сонда за изучаване на далечни астрофизични обекти. Докато дори фотоните могат да бъдат замъглени, разсеяни и разпръснати от праха, газовите частици и фоновото излъчване, присъстващи в междузвездната среда, неутриното може да преминава предимно безпрепятствено и да достига до земните детектори. В настоящия контекст, бидейки слабо взаимодействащ, секторът на неутриното може да бъде жизнеспособен кандидат за допринасяне за CP-нарушението.
Неутрино осцилация и CP-нарушение
Съществуват три вида неутрино (𝜈) – 𝜈 𝑒 , 𝜈 𝜇 и 𝜈 𝜏 – по едно е свързано с всеки лептонен аромат: електрон (e), мюон (𝜇) и тау (𝜏). Неутриното се произвеждат и откриват като собствени състояния на аромата чрез слаби взаимодействия във връзка със заредения лептон със съответния аромат, докато се разпространяват като състояния с определени маси, наречени собствени състояния на масата. По този начин, неутринният лъч с определен аромат в източника се превръща в смес от трите различни аромата в точката на откриване, след като измине определена дължина на пътя – делът на различните състояния на аромата зависи от параметрите на системата. Това явление е известно като неутринно трептене, което прави тези малки частици много специални!
Теоретично, всяко от собствените състояния на неутриното по вкус може да се изрази като линейна комбинация от трите собствени състояния по маса и обратно, а смесването може да се опише с унитарна матрица, наречена матрица на Понтекорво-Маки-Накагава-Саката (PMNS) (3,4). Тази триизмерна унитарна матрица на смесване може да бъде параметризирана чрез три ъгъла на смесване и сложни фази. От тези сложни фази, трептенето на неутриното е чувствително само към една фаза, наречена 𝛿 𝐶𝑃 , и тя е уникалният източник на CP-нарушение в лептонния сектор. 𝛿 𝐶𝑃 може да приема всяка стойност в диапазона от −180° до 180°. Докато 𝛿 𝐶𝑃 = 0,±180° означава, че неутрино и антинеутрино се държат идентично и CP се запазва, 𝛿 𝐶𝑃 =±90° показва максимално CP-нарушение в лептонния сектор на Стандартния модел. Всяка междинна стойност е показателна за CP-нарушение в различни степени. Следователно измерването на 𝛿 𝐶𝑃 е една от най-важните цели на общността, занимаваща се с неутринна 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 измерили и трите ъгъла на смесване с точност над 90% при 99.73% (3𝜎) доверие (6). Два от ъглите на смесване са големи, за да обяснят трептенията на слънчевите и атмосферните неутрино, третият ъгъл (наречен 𝜃 13 ) е малък, като най-добрата стойност е приблизително 8.6° и е измерен експериментално едва наскоро, през 2011 г., от експеримента с неутрино в реактор Daya-Bay в Китай. В матрицата на PMNS фазата 𝛿 𝐶𝑃 се появява само в комбинацията sin𝜃 13 𝑒 ±𝑖𝛿 𝐶𝑃 , което затруднява експерименталното измерване на 𝛿 𝐶𝑃.
Параметърът, който определя количествено количеството на CP-нарушение както в кварковия, така и в неутринния сектор, се нарича инвариант на Ярлског 𝐽 𝐶𝑃 (7), който е функция на ъглите на смесване и CP-нарушаващата фаза. За кварковия сектор 𝐽 𝐶𝑃 ~3×10⁻⁶ , докато за неутринния сектор 𝐽 𝐶𝑃 ~0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 и по този начин може да бъде до три порядъка по-голям от 𝐽 𝐶𝑃 в кварковия сектор, в зависимост от стойността на 𝛿 𝐶𝑃.
Резултат от T2K – намек за разрешаване на мистерията на асиметрията материя-антиматерия
В експеримента с дългобазови неутрино трептения T2K (Токай-Камиока в Япония), неутринни или антинеутринни лъчи се генерират в Японския изследователски комплекс за протонови ускорители (J-PARC) и се детектират на детектора Ватер-Черенков в Супер-Камиоканде, след като са изминали разстояние от 295 км през Земята. Тъй като този ускорител може да произвежда лъчи или от 𝜈 𝜇, или от неговата античастица 𝜈̅𝜇, а детекторът може да детектира 𝜈 𝜇 , 𝜈 𝑒 и техните античастици 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, те разполагат с резултати от четири различни процеса на трептене и могат да извършат анализ, за да получат ефективни граници на параметрите на трептенето. Въпреки това, CP-нарушаващата фаза 𝛿 𝐶𝑃 се появява само в процеса, когато неутриното променят ароматите си, т.е. в осцилациите 𝜈𝜇→𝜈𝑒 и 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – всяка разлика в тези два процеса би предполагала CP-нарушение в лептонния сектор.
В скорошно съобщение, колаборацията T2K съобщи за интересни граници на нарушаване на CP-пропускливостта в неутринния сектор, анализирайки данните, събрани през 2009 и 2018 г. (8). Този нов резултат изключи около 42% от всички възможни стойности на 𝛿 𝐶𝑃 . По-важното е, че случаят, когато CP е запазен, е изключен с 95% доверие и същевременно максималното нарушение на CP-пропускливостта изглежда е предпочитано в природата.
В областта на физиката на високите енергии се изисква увереност 5𝜎 (т.е. 99.999%) за заявяване на ново откритие, следователно са необходими експерименти от следващо поколение, за да се получат достатъчно статистически данни и по-висока точност за откриването на фазата, нарушаваща CP. Въпреки това скорошният резултат от T2K е значително развитие към нашето разбиране за асиметрията материя-антиматерия на Вселена чрез CP-нарушение в неутрино-сектора, за първи път.
***
Литература:
1. Сахаров, Андрей Д., 1991. „Нарушение на CP-инвариантността, C-асимитрация и барионна асиметрия на Вселената“. Успехи на съветската физика, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Бари Паскуале Ди, 2012. Въведение в лептогенезата и свойствата на неутриното. Съвременна физика, том 53, 2012 – брой 4, страници 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Маки З., Накагава М. и Саката С., 1962. Бележки върху унифицирания модел на елементарните частици. Прогрес на теоретичната физика, том 28, брой 5, ноември 1962 г., страници 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Понтекорво Б., 1958. ОБРАТНИ БЕТА ПРОЦЕСИ И НЕЗАПАЗВАНЕ НА ЛЕПТОННИЯ ЗАРЯД. Journal of Experimental and Theoretical Physics (СССР) 34, 247-249 (януари, 1958). Достъпно онлайн http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Достъпно на 23 април 2020 г.
5. Inductiveload, 2007. Бета-минус разпад. [изображение онлайн] Достъпно на https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Достъпно на 23 април 2020 г.
6. Танабаши М. и др. (Група за данни за частици), 2018. Маси, смесване и осцилации на неутрино, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) и актуализация от 2019 г. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog отговаря. Phys. преп. Лет. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. Сътрудничеството T2K, 2020. Ограничение върху фазата, нарушаваща симетрията материя-антиматерия в неутринните осцилации. Nature, том 580, страници 339–344 (2020). Публикувано: 15 април 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
Още по темата:
Защо „материята“ доминира във Вселената, а не „антиматерията“? В търсене на причината за съществуването на Вселената (18 АПРИЛ 2020 г.)
Антиматерията се влияе от гравитацията по същия начин, както материята (29 СЕПТЕМВРИ 2023 г.)
Напредък в транспорта на антипротони (2 декември 2024 г.)
Защо мини-хладилникът с размерите на „Лаборатория за студен атом (CAL)“, обикаляща около Земята на борда на МКС, е важен за науката (28 август 2024 г.)
***
