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 Вселенная over antimatter, and thus our very existence.
The matter-antimatter asymmetry of the Вселенная
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 Вселенная 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 Вселенная.
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).
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 Вселенная. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the Вселенная. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
Почему нейтрино важны?
Нейтрино Это мельчайшие массивные частицы Природы с нулевым электрическим зарядом. Будучи электрически нейтральным, нейтрино не могут иметь электромагнитных взаимодействий, и сильных взаимодействий у них тоже нет. Нейтрино имеют крошечные массы порядка 0.1 эВ (~ 2 × 10-37кг), следовательно, гравитационное взаимодействие также очень слабое. Единственный путь нейтрино могут взаимодействовать с другими частицами посредством короткодействующих слабых взаимодействий.
Это слабовзаимодействующее свойство нейтриноОднако это делает их интересным зондом для изучения далеких астрофизических объектов. Хотя даже фотоны могут быть затемнены, рассеяны и рассеяны пылью, частицами газа и фоновым излучением, присутствующим в межзвездной среде, нейтрино может пройти практически беспрепятственно и достичь наземных детекторов. В нынешних условиях, будучи слабовзаимодействующим, нейтринный сектор может быть жизнеспособным кандидатом на участие в CP-нарушении.
Колебания нейтрино и CP-нарушение
Есть три типа нейтрино (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈μ и 𝜈𝜏 – 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 𝛿𝐶𝑃, и это единственный источник CP-нарушения в лептонном секторе. 𝛿𝐶𝑃 может принимать любое значение в диапазоне от -180 ° до 180 °. Пока 𝛿𝐶𝑃= 0, ± 180 ° означает, что нейтрино и антинейтрино ведут себя одинаково и CP сохраняется, 𝛿𝐶𝑃= ± 90 ° указывает на максимальное CP-нарушение в лептонном секторе Стандартной модели. Любое промежуточное значение указывает на CP-нарушение в разной степени. Следовательно, измерение 𝛿𝐶𝑃 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 𝛿𝐶𝑃 появляется только в сочетании sin𝜃13𝑒± 𝑖𝛿𝐶𝑃, экспериментальное измерение 𝛿𝐶𝑃 сложно.
Параметр, который определяет количество CP-нарушения как в кварковом, так и в нейтринном секторах, называется инвариантом Ярлскога 𝐽𝐶𝑃 (7), которая является функцией углов смешивания и CP-нарушающей фазы. Для кварк-сектора 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , а для нейтринного сектора 𝐽𝐶𝑃~ 0.033 син𝛿𝐶𝑃, и, таким образом, может быть на три порядка больше, чем 𝐽𝐶𝑃 в кварк-секторе в зависимости от значения 𝛿𝐶𝑃.
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 𝜈μ или его античастица 𝜈̅𝜇, и детектор может обнаружитьμ, 𝜈𝑒 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 𝛿𝐶𝑃 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 𝛿𝐶𝑃. 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.
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 Вселенная through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
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
