РЕКЛАМА

Разкриване на мистерията на асиметрията материя-антиматерия на Вселената с експерименти с неутрино осцилиране

НАУКИФИЗИКАРазкриване на мистерията на асиметрията материя-антиматерия на Вселената с експерименти с неутрино осцилиране

T2K, експеримент за колебание на неутрино с дълга базова линия в Япония, наскоро съобщи за наблюдение, при което са открили силно доказателство за разлика между основните физически свойства на неутрино и тези на съответния антиматериален аналог, антинеутрино. Това наблюдение намеква за обяснение на една от най-големите мистерии на науката – обяснение за господството на материята във Вселената над антиматерията и по този начин самото ни съществуване.

Асиметрията материя-антиматерия на Вселената

Според теорията на космологията частиците и техните античастици са били произведени по двойки от радиация по време на Големия взрив. Античастиците са антиматерии, имащи почти същите физически свойства като техните аналози на материята, т.е. частиците, с изключение на електрическия заряд и магнитните свойства, които са обърнати. Въпреки това, Вселената съществува и се състои само от материя, което показва, че някаква симетрия материя-антиматерия е била нарушена по време на Големия взрив, поради което двойките не могат да унищожат напълно, произвеждайки отново радиация. Физиците все още търсят признаци на 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 – 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).

Тъй като гравитационните, електромагнитните, както и силните взаимодействия са инвариантни спрямо CP-симетрията, единственото място за търсене на CP-нарушение в природата е в случай на кварки и/или лептони, които взаимодействат чрез слабо взаимодействие. Досега CP-нарушението се измерва експериментално в кварковия сектор, но то е твърде малко, за да генерира изчислената 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?

Неутрино са най-малките, масивни частици на природата с нулев електрически заряд. Тъй като са електрически неутрални, неутрино не могат да имат електромагнитни взаимодействия, а също и да имат силни взаимодействия. Неутриното имат малки маси от порядъка на 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), следователно гравитационното взаимодействие също е много слабо. Единственият начин неутрино да взаимодействат с други частици е чрез слаби взаимодействия на къси разстояния.

Това слабо взаимодействащо свойство на неутриното обаче ги прави интересна сонда за изследване на далечни астрофизични обекти. Докато дори фотоните могат да бъдат затъмнени, разпръснати и разпръснати от праха, газовите частици и фоновите лъчения, присъстващи в междузвездната среда, неутрино могат да преминават предимно безпрепятствено и да достигнат до земните детектори. В настоящия контекст, тъй като е слабо взаимодействащ, неутрино-секторът може да бъде жизнеспособен кандидат да допринесе за CP-нарушението.

Неутрино осцилация и CP-нарушение

Има три вида неутрино (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 и 𝜈𝜏 – един, свързан с всеки лептон, ароматизира електрон (e), мюон (𝜇) и тау (𝜏). Неутрино се произвеждат и откриват като ароматни собствени състояния чрез слаби взаимодействия във връзка със заредения лептон на съответния аромат, докато те се разпространяват като състояния с определени маси, наречени масови собствени състояния. По този начин неутринен лъч с определен вкус при източника се превръща в смес от трите различни аромата в точката на откриване след пътуване през определена дължина на пътя - делът на различните състояния на аромата зависи от параметрите на системата. Това явление е известно като неутрино трептене, което прави тези малки частици много специални!

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!

Експерименти с неутрино осцилация
Източник: Wikipedia (ref. 5)

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.

В областта на физиката на високите енергии се изисква 5𝜎 (т.е. 99.999%) увереност, за да се претендира за ново откритие, следователно са необходими експерименти от следващо поколение, за да се получи достатъчна статистика и по-висока прецизност за откриването на фазата, нарушаваща CP. Въпреки това скорошният резултат от T2K е значително развитие към нашето разбиране за асиметрията материя-антиматерия на Вселената чрез CP-нарушението в неутрино-сектора, за първи път.

***

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

***

Shamayita Ray PhD
Shamayita Ray PhD
Лаборатория по космическа физика, VSSC, Тривандрум, Индия.

Абонирай се за нашия бюлетин

Да се ​​актуализира с всички най-нови новини, оферти и специални съобщения.

- Реклама -

Най-популярни статии

BrainNet: Първият случай на директна комуникация „мозък към мозък“.

Учени демонстрираха за първи път множество хора...

Нов нов начин за производство на кислород в океана

Някои микроби в дълбокото море произвеждат кислород в...

Отглеждане на мозъка на неандерталците в лабораторията

Изучаването на мозъка на неандерталците може да разкрие генетични модификации, които...
- Реклама -
99,772Феновекато
69,708последователиСледвай ни
6,319последователиСледвай ни
31АбонатиЗапиши се