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

T2K, a long-baseline нейтрино oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of нейтрино 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 вопрос в Вселенная над антиматерией и, следовательно, над самим нашим существованием.

Ассоциация вопрос-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 вопрос counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the Вселенная существует и состоит только из материи, указывает на то, что некоторая симметрия материи и антиматерии была нарушена в ходе Большого взрыва, из-за чего пары не смогли полностью аннигилировать, снова производя излучение. Физики все еще ищут признаки нарушения CP-симметрии, что, в свою очередь, может объяснить нарушение симметрии материи и антивещества на ранних этапах развития. Вселенная.

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 вопрос and antimatter are related to each other through CP-symmetry. Hence CP must have been violated in order to generate the observed 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, где можно искать CP-нарушение 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 кваркового сектора. Вселенная. Следовательно, понимание CP-нарушения в лептонном секторе представляет особый интерес для физиков, поскольку они хотят понять существование Вселенная. CP-нарушение в лептонном секторе можно использовать для объяснения асимметрии материи-антиматерии посредством процесса, называемого лептогенезом (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) - 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 заявления о новом открытии требуется уверенность 5𝜎 (т.е. 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 в нашем понимании асимметрии материи-антиматерии. Вселенная впервые через CP-нарушение в нейтринном секторе.

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