В Японии в рамках эксперимента T2K по изучению нейтринных осцилляций с большой базой были недавно обнаружены убедительные доказательства различия между фундаментальными физическими свойствами нейтрино и соответствующими им антиматерийными аналогами — антинейтрино. Это наблюдение намекает на объяснение одной из величайших загадок науки — доминирования материи над антиматерией во Вселенной , а следовательно, и самого нашего существования.
Асимметрия материи и антиматерии во Вселенной
Согласно теории космологии, частицы и их античастицы образовались парами из излучения во время Большого взрыва. Античастицы — это антиматерия, обладающая почти теми же физическими свойствами, что и их материальные аналоги, то есть частицы, за исключением электрического заряда и магнитных свойств, которые поменяны местами. Однако существование Вселенной , состоящей только из материи, указывает на то, что в ходе Большого взрыва была нарушена некоторая симметрия материя-антиматерия, из-за чего пары не смогли полностью аннигилировать, снова производя излучение. Физики до сих пор ищут признаки нарушения CP-симметрии, которые, в свою очередь, могут объяснить нарушение симметрии материя-антиматерия в ранней Вселенной.
CP-симметрия является результатом действия двух различных симметрий – зарядового сопряжения (C) и симметрии обращения четности (P). При применении зарядового сопряжения C к заряженной частице знак ее заряда изменяется, так что положительно заряженная частица становится отрицательно заряженной, и наоборот. Нейтральные частицы остаются неизменными под действием C. Симметрия обращения четности меняет пространственные координаты частицы, на которую она действует, – так что правосторонняя частица становится левосторонней, подобно тому, что происходит, когда человек стоит перед зеркалом. Наконец, когда CP-симметрия действует на правостороннюю отрицательно заряженную частицу, она превращается в левостороннюю положительно заряженную частицу, которая является античастицей. Таким образом, материя и антиматерия связаны друг с другом посредством CP-симметрии. Следовательно, для возникновения наблюдаемой асимметрии материи и антиматерии , на которую впервые указал Сахаров в 1967 году (1), необходимо было нарушить CP-симметрию.
Поскольку гравитационные, электромагнитные, а также сильные взаимодействия инвариантны относительно CP-симметрии, единственное место, где можно искать нарушение CP-симметрии в природе, — это кварки и/или лептоны, которые взаимодействуют посредством слабого взаимодействия. До сих пор нарушение CP-симметрии было измерено экспериментально в кварковом секторе, однако оно слишком мало, чтобы создать предполагаемую асимметрию Вселенной . Поэтому понимание нарушения CP-симметрии в лептонном секторе представляет особый интерес для физиков, чтобы понять существование Вселенной . Нарушение CP-симметрии в лептонном секторе может быть использовано для объяснения асимметрии материи и антиматерии посредством процесса, называемого лептогенезом (2).
Почему нейтрино важны?
Нейтрино — это мельчайшие массивные частицы природы с нулевым электрическим зарядом. Будучи электрически нейтральными, нейтрино не могут вступать в электромагнитные взаимодействия, и у них нет сильных взаимодействий. Масса нейтрино составляет порядка 0.1 эВ (~ 2 × 10⁻³⁷ кг ), поэтому гравитационное взаимодействие также очень слабое. Единственный способ взаимодействия нейтрино с другими частицами — это слабые взаимодействия на коротких расстояниях.
Однако именно это свойство слабого взаимодействия нейтрино делает их интересным инструментом для изучения далеких астрофизических объектов. В то время как даже фотоны могут быть затенены, рассеяны и диспергированы пылью, частицами газа и фоновым излучением, присутствующим в межзвездной среде, нейтрино могут проходить практически беспрепятственно и достигать наземных детекторов. В данном контексте, будучи слабо взаимодействующими, нейтринный сектор может быть перспективным кандидатом для внесения вклада в нарушение CP-симметрии.
Колебания нейтрино и CP-нарушение
Существует три типа нейтрино (𝜈) – 𝜈 𝑒 , 𝜈 𝜇 и 𝜈 𝜏 – по одному, связанному с каждым из лептонных ароматов: электроном (e), мюоном (𝜇) и тау-лептоном (𝜏). Нейтрино образуются и детектируются как собственные состояния аромата посредством слабых взаимодействий в ассоциации с заряженным лептоном соответствующего аромата, в то время как они распространяются как состояния с определенными массами, называемые собственными состояниями массы. Таким образом, пучок нейтрино определенного аромата в источнике становится смесью всех трех различных ароматов в точке детектирования после прохождения некоторого пути – пропорция различных состояний аромата зависит от параметров системы. Это явление известно как нейтринная осцилляция, что делает эти крошечные частицы очень особенными!
Теоретически, каждое из собственных состояний аромата нейтрино может быть выражено как линейная комбинация всех трех собственных состояний массы и наоборот, а смешивание может быть описано унитарной матрицей, называемой матрицей Понтекорво-Маки-Накагава-Саката (PMNS) (3,4). Эта трехмерная унитарная матрица смешивания может быть параметризована тремя углами смешивания и комплексными фазами. Из этих комплексных фаз нейтринные осцилляции чувствительны только к одной фазе, называемой 𝛿 𝐶𝑃 , и она является единственным источником CP-нарушения в лептонном секторе. 𝛿 𝐶𝑃 может принимать любое значение в диапазоне от −180° до 180°. В то время как 𝛿 𝐶𝑃 = 0, ± 180° означает, что нейтрино и антинейтрино ведут себя одинаково и CP-симметрия сохраняется, 𝛿 𝐶𝑃 = ± 90° указывает на максимальное нарушение CP-симметрии в лептонном секторе Стандартной модели. Любое промежуточное значение указывает на нарушение CP-симметрии в различной степени. Следовательно, измерение 𝛿 𝐶𝑃 является одной из важнейших задач 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% при доверительной вероятности 99.73% (3π) (6). Два из углов смешивания велики, что объясняет осцилляции солнечных и атмосферных нейтрино, третий угол (названный θ 13 ) мал, его наилучшее значение составляет приблизительно 8.6°, и он был измерен экспериментально лишь недавно, в 2011 году, в ходе эксперимента по исследованию реакторных нейтрино Daya-Bay в Китае. В матрице PMNS фаза ΔCP появляется только в комбинации sinθ 13 e ±iΔCP , что затрудняет экспериментальное измерение ΔCP.
Параметр, количественно определяющий степень нарушения CP-симметрии как в кварковом, так и в нейтринном секторах, называется инвариантом Ярлскога 𝐽 𝐶𝑃 (7), который является функцией углов смешивания и фазы нарушения CP-симметрии. Для кваркового сектора 𝐽 𝐶𝑃 ~3×10 -5 , тогда как для нейтринного сектора 𝐽 𝐶𝑃 ~0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 , и, таким образом, может быть на три порядка больше, чем 𝐽 𝐶𝑃 в кварковом секторе, в зависимости от значения 𝛿 𝐶𝑃.
Результат T2K - подсказка к разгадке тайны асимметрии материи и антивещества
В эксперименте по изучению нейтринных осцилляций на длинной базе T2K (Токай-Камиока в Японии) пучки нейтрино или антинейтрино генерируются в Японском исследовательском комплексе протонных ускорителей (J-PARC) и детектируются водно-черенковским детектором на ускорителе Super-Kamiokande после прохождения расстояния в 295 км через Землю. Поскольку этот ускоритель может производить пучки либо 𝜈 𝜇 , либо его античастицы 𝜈̅𝜇, а детектор может детектировать 𝜈 𝜇 , 𝜈 𝑒 и их античастицы 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, они получают результаты четырех различных осцилляционных процессов и могут провести анализ для получения эффективных ограничений на параметры осцилляций. Однако фаза нарушения CP-симметрии 𝛿 𝐶𝑃 появляется только в процессе смены ароматов нейтрино, то есть в осцилляциях 𝜈𝜇→𝜈𝑒 и 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – любое различие в этих двух процессах подразумевало бы нарушение CP-симметрии в лептонном секторе.
В недавнем сообщении коллаборация T2K сообщила об интересных ограничениях на нарушение CP-симметрии 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 важнее, случай, когда CP-симметрия сохраняется, был исключен с 95% доверительной вероятностью, и в то же время максимальное нарушение CP-симметрии, по-видимому, является 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». Советская физика Успехи, 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 г. – выпуск 4, страницы 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Маки З., Накагава М. и Саката С., 1962. Замечания о единой модели элементарных частиц. «Прогресс 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 несохранение заряда лептона. Журнал экспериментальной и теоретической физики (СССР) 34, 247-249 (январь 1958 г.). Доступно онлайн по адресу http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Дата обращения: 23 апреля 2020 г.
5. Inductiveload, 2007. Бета-минус-распад. [изображение онлайн] Доступно по адресу https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Дата обращения: 23 апреля 2020 г.
6. Танабаши М. и др. (Группа данных по частицам), 2018. Массы нейтрино, смешивание и осцилляции, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) и обновление 2019 года. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Ярлског, К., 1986. Ярлског отвечает. Физ. Преподобный Летт. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875 .
8. Коллаборация T2K, 2020. Ограничение на фазу нарушения симметрии материи и антиматерии в нейтринных осцилляциях. Nature, том 580, страницы 339–344 (2020). Опубликовано: 15 апреля 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
Статьи по теме:
Почему во Вселенной доминирует «материя», а не «антиматерия»? В поисках ответа на вопрос «Почему существует Вселенная? » (18 апреля 2020 г.)
Антиматерия подвержена воздействию гравитации так же, как и материя (29 сентября 2023 г.)
Прогресс в области переноса антипротонов (2 декабря 2024 г.)
Почему миниатюрная лаборатория по исследованию холодных атомов (CAL), вращающаяся вокруг Земли на борту МКС, имеет важное значение для науки (28 августа 2024 г.)
