T2K, en lang baseline nøytrino oscillasjonseksperiment i Japan, har nylig rapportert en observasjon der de har oppdaget et sterkt bevis på en forskjell mellom grunnleggende fysiske egenskaper til nøytrinoer og den til den tilsvarende antimaterie-motparten, anti-nøytrinoer. Denne observasjonen antyder å forklare et av vitenskapens største mysterier – en forklaring på dominansen til rolle i Universe over antimaterie, og dermed vår eksistens.
De rolle-antimaterie asymmetri av Universe
I følge teorien om kosmologi ble partikler og deres antipartikler produsert i par fra stråling under Big-Bang. Antipartikler er antimaterie som har nesten samme fysiske egenskaper som deres rolle motparter dvs. partikler, bortsett fra elektrisk ladning og magnetiske egenskaper som er reversert. Imidlertid Universe eksisterer og består av bare materie indikerer at noe materie-antimaterie-symmetri ble brutt i løpet av Big-Bang, på grunn av dette kunne parene ikke utslette fullstendig og produsere stråling igjen. Fysikere leter fortsatt etter signaturer på CP-symmetribrudd, som igjen kan forklare den ødelagte materie-antimaterie-symmetrien tidlig Universe.
CP-symmetri er produktet av to forskjellige symmetrier - ladningskonjugering (C) og paritetsreversering (P). Ladningskonjugering C når den brukes på en ladet partikkel endrer fortegnet på ladningen, slik at en positivt ladet partikkel blir negativt ladet og omvendt. Nøytrale partikler forblir uendret under påvirkning av C. Paritet-reverseringssymmetri reverserer de romlige koordinatene til partikkelen den virker på – så en høyrehendt partikkel blir venstrehendt, på samme måte som det som skjer når man står foran et speil. Til slutt, når CP virker på en høyrehendt negativt ladet partikkel, omdannes den til en venstrehendt positivt ladet, som er antipartikkelen. Dermed rolle og antimaterie er relatert til hverandre gjennom CP-symmetri. Derfor må CP ha blitt brutt for å generere det observerte materie-antimaterie asymmetri, som først ble påpekt av Sakharov i 1967 (1).
Siden gravitasjons-, elektromagnetiske så vel som sterke interaksjoner er invariante under CP-symmetri, er det eneste stedet å se etter CP-brudd i naturen i tilfelle kvarker og/eller leptoner, som samhandler gjennom svak interaksjon. Til nå har CP-brudd blitt målt eksperimentelt i kvarksektoren, men det er for lite til å generere den estimerte asymmetrien til Universe. Derfor er det av spesiell interesse for fysikerne å forstå CP-bruddet i leptonsektoren for å forstå eksistensen av Universe. CP-bruddet i lepton-sektoren kan brukes til å forklare materie-antimaterie-asymmetrien gjennom en prosess som kalles leptogenese (2).
Hvorfor er nøytrinoene viktige?
nøytrinoer er de minste, massive partiklene i naturen med null elektrisk ladning. Å være elektrisk nøytral, nøytrinoer kan ikke ha elektromagnetiske interaksjoner, og de har heller ikke sterke interaksjoner. Nøytrinoer har små masser i størrelsesorden 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), derfor er gravitasjonsinteraksjonen også veldig svak. Den eneste måten nøytrinoer kan samhandle med andre partikler er gjennom kortdistanse svake interaksjoner.
Denne svakt samvirkende egenskapen til nøytrinoer, men gjør dem til en interessant sonde for å studere langt unna astrofysiske objekter. Selv om fotoner kan skjules, spres og spres av støv, gasspartikler og bakgrunnsstråling som finnes i det interstellare mediet, nøytrinoer kan passere stort sett uhindret og nå de jordbaserte detektorene. I den nåværende konteksten, som er svakt samvirkende, kan nøytrino-sektoren være en levedyktig kandidat til å bidra til CP-bruddet.
Nøytrinoscillasjon og CP-brudd
Det finnes tre typer nøytrinoer (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 og 𝜈𝜏 – en assosiert med hver lepton smaker elektron (e), muon (𝜇) og tau (𝜏). Nøytrinoer produseres og oppdages som smak-egenstater via svake interaksjoner i assosiasjon med det ladede leptonet med tilsvarende smak, mens de forplanter seg som tilstander med bestemte masser, kalt masse-egenstater. Dermed blir en nøytrinostråle med bestemt smak ved kilden en blanding av alle tre forskjellige smaker ved deteksjonspunktet etter å ha gått gjennom en viss banelengde - andelen forskjellige smakstilstander er avhengig av parametere i systemet. Dette fenomenet er kjent som nøytrinoscillasjon, noe som gjør disse bittesmå partiklene helt spesielle!
Teoretisk sett kan hver av nøytrinosmak-egenstatene uttrykkes som en lineær kombinasjon av alle tre masse-egenstatene og omvendt, og blandingen kan beskrives av en enhetlig matrise kalt Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrise (3,4 ,3). Denne XNUMX-dimensjonale enhetlige blandematrisen kan parametriseres av tre blandevinkler og komplekse faser. Av disse komplekse fasene er nøytrinoscillasjon følsom for bare én fase, kalt 𝛿𝐶𝑃, og det er den unike kilden til CP-brudd i leptonsektoren. 𝛿𝐶𝑃 kan ta hvilken som helst verdi i området −180° og 180°. Mens 𝛿𝐶𝑃=0,±180° betyr at nøytrinoer og antinøytrinoer oppfører seg identisk og CP er bevart, 𝛿𝐶𝑃=±90° indikerer et maksimalt CP-brudd i lepton-sektoren til standardmodellen. Enhver mellomverdi er en indikasjon på CP-brudd i forskjellige grader. Derav måling av 𝛿𝐶𝑃 er et av de viktigste målene for nøytrinofysikksamfunnet.
Måling av oscillasjonsparametere
Nøytrinoer produseres i overflod under kjernefysiske reaksjoner, som de i Sun, andre stjerner og supernovaer. De produseres også i jordens atmosfære gjennom samspillet mellom de høyenergiske kosmiske strålene med atomkjerner. For å ha en ide om nøytrinofluxen, passerer rundt 100 billioner gjennom oss hvert sekund. Men vi skjønner det ikke engang siden de samhandler veldig svakt. Dette gjør måling av nøytrinoegenskaper under nøytrinoscillasjonseksperimentene til en virkelig utfordrende jobb!
For å måle disse unnvikende partiklene er nøytrino-detektorer store, har kilotonn masse og eksperimenter tar flere år å oppnå statistisk signifikante resultater. På grunn av deres svake interaksjoner tok det forskerne omtrent 25 år å oppdage den første nøytrinoen eksperimentelt etter at Pauli postulerte deres tilstedeværelse i 1932 for å forklare energi-momentum-bevaringen i kjernefysisk beta-nedbrytning (vist i figur (5)).
Forskere har målt alle tre blandevinklene med mer enn 90 % presisjon med 99.73 % (3𝜎) konfidens (6). To av blandingsvinklene er store for å forklare oscillasjonene til solenergi og atmosfæriske nøytrinoer, den tredje vinkelen (kalt 𝜃13) er liten, best-fit verdi er omtrent 8.6°, og ble målt eksperimentelt først nylig i 2011 av reaktornøytrinoeksperimentet Daya-Bay i Kina. I PMNS-matrisen er fasen 𝛿𝐶𝑃 vises bare i kombinasjonen sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, gjør eksperimentell måling av 𝛿𝐶𝑃 vanskelig.
Parameteren som kvantifiserer mengden av CP-brudd både i kvark og nøytrino-sektorer kalles Jarlskog-invarianten 𝐽𝐶𝑃 (7), som er en funksjon av blandingsvinkler og den CP-brytende fasen. For kvark-sektoren 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , mens for nøytrino-sektoren 𝐽𝐶𝑃~0.033 synd𝛿𝐶𝑃, og kan dermed være opptil tre størrelsesordener større enn 𝐽𝐶𝑃 i kvark-sektoren, avhengig av verdien av 𝛿𝐶𝑃.
Resultat fra T2K – et hint for å løse mysteriet med materie-antimaterie-asymmetri
I nøytrinoscillasjonseksperimentet med lang baselinje T2K (Tokai-to-Kamioka i Japan), genereres nøytrino- eller antinøytrino-stråler ved Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) og detekteres ved Water-Cerenkov-detektoren ved Super-Kamiokande, etter å ha reist 295 km avstand gjennom jorden. Siden denne akseleratoren kan produsere stråler av begge 𝜈𝜇 eller dens antipartikkel 𝜈̅𝜇, og detektoren kan oppdage 𝜈𝜇,𝜈𝑒 og deres antipartikler 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, de har resultater fra fire forskjellige oscillasjonsprosesser og kan utføre analysen for å få effektive grenser for oscillasjonsparametrene. Men den CP-krenkende fasen 𝛿𝐶𝑃 vises kun i prosessen når nøytrinoer endrer smak, dvs. i svingningene 𝜈𝜇→𝜈𝑒 og 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – enhver forskjell i disse to prosessene vil innebære et CP-brudd i lepton-sektoren.
I en nylig kommunikasjon har T2K-samarbeidet rapportert om interessante grenser for CP-brudd i nøytrinosektoren, ved å analysere dataene samlet i løpet av 2009 og 2018 (8). Dette nye resultatet utelukket omtrent 42 % av alle mulige verdier av 𝛿𝐶𝑃. Enda viktigere er at tilfellet når CP er bevart har blitt utelukket med 95 % konfidens, og samtidig ser maksimal CP-brudd ut til å være foretrukket i naturen.
Innenfor høyenergifysikk kreves det en 5𝜎 (dvs. 99.999%) tillit for å kreve en ny oppdagelse, derfor kreves neste generasjons eksperimenter for å få tilstrekkelig statistikk og høyere presisjon for oppdagelsen av den CP-krenkende fasen. Imidlertid er nylige T2K-resultater en betydelig utvikling mot vår forståelse av materie-antimaterie-asymmetrien til Universe gjennom CP-bruddet i nøytrinosektoren, for første gang.
***
Referanser:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''Brennelse av CP-invarians, C-asymmetri og baryonasymmetri i universet''. Sovjetfysikk Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. GJØR JEG: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. En introduksjon til leptogenese og nøytrinoegenskaper. Contemporary Physics Volume 53, 2012 – Issue 4 Sides 315-338. GJØR JEG: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. og Sakata S., 1962. Bemerkninger om den enhetlige modellen av elementærpartikler. Progress of Theoretical Physics, bind 28, utgave 5, november 1962, side 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERSE BETA-PROSESSER OG IKKE-BEVARING AV LEPTON-LADNING. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (januar 1958). Tilgjengelig på nett http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Tilgang 23. april 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [bilde på nett] Tilgjengelig på https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Åpnet 23. april 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) og 2019-oppdatering. GJØR JEG: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog svarer. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Begrensning på materie-antimaterie symmetri-krenkende fase i nøytrinoscillasjoner. Natur bind 580, side 339–344 (2020). Publisert: 15. april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
