T2K, a long-baseline неутрино oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of неутрино 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 значение в Вселена над антиматерията и по този начин самото ни съществуване.
- значение-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 значение counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the Вселена съществува и се състои само от материя, показва, че някаква симетрия материя-антиматерия е била нарушена по време на Големия взрив, поради което двойките не са могли да се 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 ранните Вселена.
CP-symmetry is the product of two different symmetries – charge-conjugation (C) and parity-reversal (P). Charge-conjugation C when applied on a charged-particle changes the sign of its charge, so a positively charged particle becomes negatively-charged and vice-versa. Neutral particles remain unchanged under the action of C. Parity-reversal symmetry reverses the spatial coordinates of the particle it is acting upon – so a right-handed particle becomes left-handed, similar to what happens when one stands in front of a mirror. Finally, when CP acts on a right-handed negatively-charged particle, it is converted into a left-handed positively-charged one, which is the antiparticle. Thus значение and antimatter are related to each other through CP-symmetry. Hence CP must have been violated in order to generate the observed 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 при 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 е измервано експериментално в кварковия сектор, но то е твърде малко, за да генерира изчислената асиметрия на Вселена. Следователно разбирането на CP-нарушението в лептонния сектор е от специален интерес за физиците, за да разберат съществуването на Вселена. 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. Като електрически неутрален, неутрино не могат да имат електромагнитни взаимодействия и те също нямат силни взаимодействия. Неутриното имат малки маси от порядъка на 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), следователно гравитационното взаимодействие също е много слабо. Единствения начин неутрино могат да взаимодействат с други частици чрез слаби взаимодействия на къси разстояния.
Това слабо взаимодействащо свойство на неутрино, 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 може да премине почти безпрепятствено и да достигне базираните на Земята детектори. В настоящия контекст, тъй като е слабо взаимодействащ, неутрино-секторът може да бъде жизнеспособен кандидат да допринесе за нарушаването на CP.
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 собствени състояния на вкуса чрез слаби взаимодействия във връзка със заредения лептон на съответния аромат, докато се разпространяват като състояния с определени маси, наречени собствени състояния на маса. По този начин неутринен лъч с определен аромат при източника се превръща в смес от всичките три различни вкуса в точката на откриване след преминаване през определена дължина на пътя - съотношението на различните състояния на вкус зависи от параметрите на системата. Това явление е известно като трептене на неутрино, 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!
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 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 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
***
