Раскрытие тайны асимметрии материи и антивещества Вселенной с помощью экспериментов с нейтринными колебаниями

T2K, эксперимент по осцилляциям нейтрино с длинной базой в Японии, недавно сообщил о наблюдении, в котором было обнаружено убедительное свидетельство разницы между фундаментальными физическими свойствами нейтрино и соответствующего аналога из антивещества, антинейтрино. Это наблюдение намекает на объяснение одной из самых больших загадок науки - объяснения преобладания материи во Вселенной над антивеществом и, следовательно, самого нашего существования.

Асимметрия материи и антивещества Вселенной

Согласно теории космологии, частицы и их античастицы образовались парами из излучения во время Большого взрыва. Античастицы - это антиматтеры, имеющие почти те же физические свойства, что и их материальные аналоги, то есть частицы, за исключением обратных электрических зарядов и магнитных свойств. Однако Вселенная существует и состоит только из материи. Это указывает на то, что некоторая симметрия материи и антивещества была нарушена во время Большого взрыва, из-за чего пары не могли полностью аннигилировать, создавая излучение снова. Физики все еще ищут признаки нарушения CP-симметрии, которые, в свою очередь, могут объяснить нарушение симметрии материя-антивещество в ранней Вселенной.

CP-симметрия - это продукт двух разных симметрий - зарядового сопряжения (C) и обращения четности (P). Зарядовое сопряжение C при воздействии на заряженную частицу меняет знак ее заряда, поэтому положительно заряженная частица становится отрицательно заряженной и наоборот. Нейтральные частицы остаются неизменными под действием C. Симметрия с обращением четности меняет пространственные координаты частицы, на которую она действует - так что правая частица становится левой, аналогично тому, что происходит, когда человек стоит перед зеркалом. Наконец, когда CP воздействует на правостороннюю отрицательно заряженную частицу, она превращается в левостороннюю положительно заряженную частицу, которая является античастицей. Таким образом, материя и антивещество связаны друг с другом посредством CP-симметрии. Следовательно, CP должно быть нарушено, чтобы вызвать наблюдаемое асимметрия вещества и антивещества, на что впервые указал Сахаров в 1967 г. (1).

Поскольку гравитационные, электромагнитные, а также сильные взаимодействия инвариантны относительно CP-симметрии, единственное место для поиска CP-нарушения в Природе - это кварки и / или лептоны, которые взаимодействуют посредством слабого взаимодействия. До сих пор CP-нарушение измерялось экспериментально в кварковом секторе, однако оно слишком мало, чтобы генерировать предполагаемую асимметрию Вселенной. Следовательно, понимание CP-нарушения в лептонном секторе представляет особый интерес для физиков для понимания существования Вселенной. CP-нарушение в лептонном секторе может быть использовано для объяснения асимметрии материя-антивещество посредством процесса, называемого лептогенезом (2).

Почему нейтрино важны?

Нейтрино are the tiniest, massive particles of Nature with zero electric charge. Being electrically neutral, нейтрино 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 нейтрино can interact with other particles is through short-range weak interactions.

This weakly-interacting property of the нейтрино, 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, нейтрино 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.

Колебания нейтрино и CP-нарушение

Есть три типа нейтрино (𝜈) - 𝜈_𝑒, 𝜈_μ и 𝜈_𝜏 – по одному связанному с каждым лептоном аромату электрона (е), мюона (𝜇) и тау (𝜏). Нейтрино производятся и обнаруживаются как собственные состояния аромата посредством слабых взаимодействий в сочетании с заряженным лептоном соответствующего аромата, в то время как они распространяются как состояния с определенными массами, называемые собственными массовыми состояниями. Таким образом, пучок нейтрино с определенным ароматом в источнике становится смесью всех трех разных ароматов в точке обнаружения после прохождения некоторой длины пути - пропорция различных состояний аромата зависит от параметров системы. Это явление известно как нейтринные осцилляции, что делает эти крошечные частицы особенными!

Теоретически каждое из собственных состояний аромата нейтрино может быть выражено как линейная комбинация всех трех массовых собственных состояний и наоборот, а смешивание может быть описано унитарной матрицей, называемой матрицей Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты (PMNS) (3,4 , 3). Эта трехмерная унитарная матрица смешивания может быть параметризована тремя углами смешивания и сложными фазами. Из этих сложных фаз осцилляция нейтрино чувствительна только к одной фазе, названной 𝛿_𝐶𝑃, и это единственный источник CP-нарушения в лептонном секторе. 𝛿_𝐶𝑃 может принимать любое значение в диапазоне от -180 ° до 180 °. Пока 𝛿_𝐶𝑃= 0, ± 180 ° означает, что нейтрино и антинейтрино ведут себя одинаково и CP сохраняется, 𝛿_𝐶𝑃= ± 90 ° указывает на максимальное CP-нарушение в лептонном секторе Стандартной модели. Любое промежуточное значение указывает на CP-нарушение в разной степени. Следовательно, измерение 𝛿_𝐶𝑃 является одной из важнейших целей сообщества физиков нейтрино.

Измерение параметров колебаний

Нейтрино в изобилии производятся во время ядерных реакций, таких как на Солнце, других звездах и сверхновых. Они также образуются в атмосфере Земли в результате взаимодействия космических лучей высокой энергии с атомными ядрами. Чтобы иметь представление о потоке нейтрино, каждую секунду через нас проходит около 100 триллионов. Но мы этого даже не осознаем, так как они очень слабо взаимодействуют. Это делает измерение свойств нейтрино во время экспериментов с осцилляциями нейтрино действительно сложной задачей!

Для измерения этих неуловимых частиц детекторы нейтрино имеют большие размеры, килотонны массы, и эксперименты требуют нескольких лет для достижения статистически значимых результатов. Из-за их слабого взаимодействия ученым потребовалось около 25 лет, чтобы экспериментально обнаружить первые нейтрино после того, как Паули постулировал их присутствие в 1932 году, чтобы объяснить сохранение энергии-импульса при бета-распаде ядра (показано на рисунке (5)).

Ученые измерили все три угла смешивания с точностью более 90% и достоверностью 99.73% (3𝜎) (6). Два из углов смешивания велики, чтобы объяснить колебания солнечных и атмосферных нейтрино, третий угол (названный 𝜃₁₃) является небольшим, наиболее подходящим значением, равным примерно 8.6 °, и было экспериментально измерено только недавно, в 2011 году, в эксперименте с реактором нейтрино Daya-Bay в Китае. В матрице PMNS фаза 𝛿_𝐶𝑃 появляется только в сочетании sin𝜃₁₃𝑒^{± 𝑖𝛿_𝐶𝑃,} экспериментальное измерение 𝛿_𝐶𝑃 сложно.

Параметр, который определяет количество CP-нарушения как в кварковом, так и в нейтринном секторах, называется инвариантом Ярлскога 𝐽_𝐶𝑃 (7), которая является функцией углов смешивания и CP-нарушающей фазы. Для кварк-сектора 𝐽_𝐶𝑃~ 3 × 10^-5 , а для нейтринного сектора 𝐽_𝐶𝑃~ 0.033 син𝛿_𝐶𝑃, и, таким образом, может быть на три порядка больше, чем 𝐽_𝐶𝑃 в кварк-секторе в зависимости от значения 𝛿_𝐶𝑃.

Результат T2K - подсказка к разгадке тайны асимметрии материи и антивещества

В эксперименте по осцилляции нейтрино с длинной базой T2K (Tokai-to-Kamioka в Японии) пучки нейтрино или антинейтрино генерируются в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC) и регистрируются детектором Water-Cerenkov в Супер-Камиоканде. после путешествия через Землю на расстояние 295 км. Поскольку этот ускоритель может генерировать пучки либо 𝜈_μ или его античастица 𝜈̅𝜇, и детектор может обнаружить_μ, 𝜈_𝑒 и их античастицы 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, они имеют результаты четырех различных колебательных процессов и могут выполнять анализ для получения эффективных границ параметров колебаний. Однако CP-нарушающая фаза 𝛿_𝐶𝑃 появляется только в процессе, когда нейтрино меняют аромат, т.е. в колебаниях 𝜈𝜇 → 𝜈𝑒 и 𝜈̅𝜇 → 𝜈̅𝑒 - любое различие в этих двух процессах означало бы CP-нарушение в лептонном секторе.

В недавнем сообщении коллаборация T2K сообщила об интересных границах CP-нарушения в нейтринном секторе, проанализировав данные, собранные в 2009 и 2018 годах (8). Этот новый результат исключил около 42% всех возможных значений 𝛿_𝐶𝑃. Что еще более важно, случай, когда CP сохраняется, был исключен с доверием 95%, и в то же время максимальное CP-нарушение кажется предпочтительным в природе.

В области физики высоких энергий для утверждения о новом открытии требуется достоверность 5𝜎 (то есть 99.999%), поэтому необходимы эксперименты следующего поколения, чтобы получить достаточную статистику и более высокую точность для открытия фазы, нарушающей CP. Однако недавний результат T2K является значительным шагом вперед на пути к нашему пониманию асимметрии материи и антивещества Вселенной через CP-нарушение в нейтринном секторе, впервые.

Ссылки:

1. Сахаров, Андрей Д., 1991. «Нарушение CP-инвариантности, C-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной». Успехи СССР, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Бари Паскуале Ди, 2012. Введение в лептогенез и свойства нейтрино. Современная физика. Том 53, 2012 - Выпуск 4 Стр. 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Маки З., Накагава М., Саката С., 1962. Замечания о единой модели элементарных частиц. Успехи теоретической физики, том 28, выпуск 5, ноябрь 1962 г., страницы 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Понтекорво Б., 1958. ОБРАТНЫЕ БЕТА-ПРОЦЕССЫ И НЕ СОХРАНЕНИЕ ЛЕПТОННОГО ЗАРЯДА. Журнал экспериментальной и теоретической физики (СССР) 34, 247-249 (январь 1958 г.). Доступно онлайн http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Доступ 23 апреля 2020 г.

5. Индуктивная нагрузка, 2007. Бета-минус распад. [изображение онлайн] Доступно по адресу https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Доступ 23 апреля 2020 г.

6. Танабаши М. и др. (Particle Data Group), 2018. Массы, перемешивание и колебания нейтрино, Phys. Ред. D98, 030001 (2018) и обновление 2019 г. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Ярлског, К., 1986. Ярлског отвечает. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. Коллаборация T2K, 2020. Ограничение на фазу нарушения симметрии вещество – антивещество в нейтринных осцилляциях. Том 580, страницы 339–344 (2020). Опубликовано: 15 апреля 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0