Kufunua Fumbo la Asymmetry ya Matter-Antimatter ya Ulimwengu kwa Majaribio ya Neutrino Oscillation

T2K, msingi wa muda mrefu neutrino Jaribio la oscillation huko Japani, hivi karibuni limeripoti uchunguzi ambapo wamegundua ushahidi dhabiti wa tofauti kati ya sifa za kimsingi za mwili. neutrinos na ile ya antimatter inayolingana, anti-neutrinos. Uchunguzi huu unadokeza katika kueleza moja ya siri kubwa za sayansi - maelezo ya kutawaliwa na jambo katika Ulimwengu juu ya antimatter, na hivyo kuwepo kwetu.

The jambo-antimatter asymmetry ya Ulimwengu

Kulingana na nadharia ya Cosmology, chembe na antiparticles zao zilitolewa kwa jozi kutoka kwa mionzi wakati wa Big-Bang. Antiparticles ni antimatters kuwa na sifa karibu sawa na yao jambo wenzao yaani chembe, isipokuwa chaji ya umeme na sifa za sumaku ambazo zimebadilishwa. Hata hivyo, Ulimwengu ipo na imeundwa na maada tu inaonyesha kuwa ulinganifu fulani wa jambo-antimatter ulivunjwa wakati wa Big-Bang, kwa sababu ambayo jozi hazikuweza kuangamiza kabisa kutoa mionzi tena. Wanafizikia bado wanatafuta saini za ukiukaji wa ulinganifu wa CP, ambayo inaweza kuelezea ulinganifu uliovunjika wa antimatter mapema. Ulimwengu.

CP-symmetry ni zao la ulinganifu mbili tofauti - chaji-mnyambuliko (C) na usawa-reversal (P). Chaji-mnyambuliko C inapotumika kwenye chembe iliyochajiwa hubadilisha ishara ya chaji yake, hivyo chembe yenye chaji chanya huwa chaji hasi na kinyume chake. Chembe zisizo na upande hubakia bila kubadilika chini ya hatua ya C. Ulinganifu wa urejeshaji wa Ulinganifu hugeuza kuratibu za anga za chembe inayofanya kazi - hivyo chembe ya mkono wa kulia inakuwa ya mkono wa kushoto, sawa na kile kinachotokea wakati mtu anasimama mbele ya kioo. Hatimaye, CP inapofanya kazi kwenye chembe inayochaji hasi ya mkono wa kulia, inabadilishwa kuwa ya mkono wa kushoto yenye chaji chanya, ambayo ni antiparticle. Hivyo jambo na antimatter zinahusiana kwa kila mmoja kupitia ulinganifu wa CP. Kwa hivyo CP lazima iwe imekiukwa ili kutoa yaliyozingatiwa asymmetry ya jambo-antimatter, ambayo ilionyeshwa kwa mara ya kwanza na Sakharov mnamo 1967 (1).

Kwa kuwa miingiliano ya mvuto, sumakuumeme na vile vile nguvu haibadilika chini ya ulinganifu wa CP, mahali pekee pa kutafuta ukiukaji wa CP katika Asili ni katika kesi ya quark na/au leptoni, ambazo huingiliana kupitia mwingiliano dhaifu. Hadi sasa, ukiukaji wa CP umepimwa kwa majaribio katika sekta ya quark, hata hivyo, ni ndogo sana kuzalisha asymmetry iliyokadiriwa ya Ulimwengu. Kwa hivyo kuelewa ukiukwaji wa CP katika sekta ya lepton ni muhimu sana kwa Wanafizikia kuelewa uwepo wa Ulimwengu. Ukiukaji wa CP katika sekta ya leptoni inaweza kutumika kueleza ulinganifu wa jambo-antimatter kupitia mchakato unaoitwa leptogenesis (2).

Kwa nini neutrinos ni muhimu?

Neutrinos ni chembe ndogo zaidi, kubwa za Asili na chaji sifuri ya umeme. Kutokuwa na upande wa umeme, neutrinos haziwezi kuwa na mwingiliano wa sumakuumeme, na hazina mwingiliano mkali pia. Neutrino zina wingi mdogo wa mpangilio wa 0.1 eV (~ 2 × 10-³⁷kg), kwa hivyo mwingiliano wa mvuto pia ni dhaifu sana. njia pekee neutrinos inaweza kuingiliana na chembe nyingine ni kupitia maingiliano dhaifu ya masafa mafupi.

Mali hii dhaifu inayoingiliana ya neutrinos, hata hivyo, huwafanya kuwa uchunguzi wa kuvutia wa kusoma vitu vya mbali vya anga. Ingawa hata fotoni zinaweza kufichwa, kutawanywa na kutawanywa na vumbi, chembe za gesi na mionzi ya nyuma iliyopo kwenye kati ya nyota, neutrinos inaweza kupita zaidi bila kuzuiliwa na kufikia vigunduzi vinavyotegemea Dunia. Katika muktadha wa sasa, kuwa na mwingiliano hafifu, sekta ya neutrino inaweza kuwa mgombea anayefaa kuchangia ukiukaji wa CP.

Neutrino oscillation na CP-ukiukaji

Kuna aina tatu za neutrinos (𝜈) - 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 na 𝜈_𝜏 - moja inayohusishwa na kila ladha ya leptoni elektroni (e), muon (𝜇) na tau (𝜏). Neutrino huzalishwa na kutambuliwa kama ladha-eigenstates kupitia mwingiliano hafifu kwa kushirikiana na leptoni iliyochajiwa ya ladha inayolingana, huku zikienea kama majimbo yenye wingi fulani, unaoitwa mass-eigenstates. Kwa hivyo, boriti ya neutrino yenye ladha ya uhakika kwenye chanzo inakuwa mchanganyiko wa ladha zote tatu tofauti wakati wa kugunduliwa baada ya kusafiri kupitia urefu fulani wa njia - uwiano wa hali tofauti za ladha hutegemea vigezo vya mfumo. Jambo hili linajulikana kama oscillation ya neutrino, ambayo hufanya chembe hizi ndogo kuwa maalum sana!

Kinadharia, kila moja ya neutrino flavour-eigenstates inaweza kuonyeshwa kama mseto wa mstari wa eigenstates zote tatu za mass-eigenstates na kinyume chake na uchanganyaji unaweza kuelezewa na matrix ya umoja iitwayo Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Tumbo hili la kuchanganya la umoja wa XNUMX-dimensional linaweza kurekebishwa kwa pembe tatu za kuchanganya na awamu changamano. Kati ya awamu hizi changamano, msisimko wa neutrino ni nyeti kwa awamu moja tu, inayoitwa 𝛿_𝐶𝑃, na ndio chanzo cha kipekee cha ukiukaji wa CP katika sekta ya lepton. 𝛿_𝐶𝑃 inaweza kuchukua thamani yoyote katika safu −180° na 180°. Wakati 𝛿_𝐶𝑃=0,±180° ina maana kwamba neutrino na antineutrino zinafanya kazi sawa na CP imehifadhiwa, 𝛿_𝐶𝑃=±90° inaonyesha upeo wa ukiukaji wa CP katika sekta ya lepton ya Muundo wa Kawaida. Thamani yoyote ya kati inaonyesha ukiukaji wa CP kwa viwango tofauti. Kwa hivyo kipimo cha 𝛿_𝐶𝑃 ni mojawapo ya malengo muhimu zaidi ya jumuiya ya fizikia ya neutrino.

Upimaji wa vigezo vya oscillation

Neutrino huzalishwa kwa wingi wakati wa athari za nyuklia, kama zile za Jua, nyota zingine na supernovae. Pia huzalishwa katika angahewa ya Dunia kupitia mwingiliano wa miale ya anga ya juu ya nishati na viini vya atomiki. Ili kuwa na wazo la mtiririko wa neutrino, takriban trilioni 100 hupitia kwetu kila sekunde. Lakini hata hatutambui kwani wanaingiliana hafifu sana. Hii inafanya upimaji wa sifa za neutrino wakati wa majaribio ya oscillation ya neutrino kuwa kazi yenye changamoto!

Ili kupima chembe hizi ambazo hazipatikani, vigunduzi vya neutrino ni vikubwa, vina kilo-tani za wingi na majaribio huchukua miaka kadhaa kufikia matokeo muhimu kitakwimu. Kwa sababu ya mwingiliano wao dhaifu, ilichukua wanasayansi takriban miaka 25 kugundua neutrino ya kwanza kwa majaribio baada ya Pauli kutangaza uwepo wao mnamo 1932 ili kuelezea uhifadhi wa kasi ya nishati katika uozo wa beta ya nyuklia (iliyoonyeshwa kwenye mchoro (5)).

Wanasayansi wamepima pembe zote tatu za kuchanganya kwa usahihi wa zaidi ya 90% katika kujiamini kwa 99.73% (3𝜎) (6). Pembe mbili kati ya zinazochanganyikana ni kubwa kueleza mizunguko ya neutrino za jua na anga, pembe ya tatu (inayoitwa 𝜃₁₃) ni ndogo, thamani inayotoshea zaidi ikiwa ni takriban 8.6°, na ilipimwa kwa majaribio hivi majuzi tu mwaka wa 2011 na jaribio la kireakta neutrino la Daya-Bay nchini Uchina. Katika tumbo la PMNS, awamu 𝛿_𝐶𝑃 inaonekana tu katika mchanganyiko wa dhambi𝜃₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} kufanya kipimo cha majaribio cha 𝛿_𝐶𝑃 ngumu.

Kigezo kinachokadiria kiasi cha ukiukaji wa CP katika sekta ya quark na neutrino inaitwa invariant ya Jarlskog 𝐽_𝐶𝑃 (7), ambayo ni kazi ya kuchanganya pembe na awamu ya kukiuka CP. Kwa sekta ya quark 𝐽_𝐶𝑃~3×10^-5 , wakati kwa sekta ya neutrino 𝐽_𝐶𝑃~0.033 dhambi𝛿_𝐶𝑃, na hivyo inaweza kuwa hadi oda tatu za ukubwa zaidi ya 𝐽_𝐶𝑃 katika sekta ya quark, kulingana na thamani ya 𝛿_𝐶𝑃.

Matokeo kutoka kwa T2K - kidokezo cha kutatua fumbo la asymmetry ya matter-antimatter

Katika majaribio ya muda mrefu ya msingi ya neutrino oscillation ya T2K (Tokai-to-Kamioka nchini Japani), mihimili ya neutrino au antineutrino huzalishwa katika Complex ya Utafiti wa Proton Accelerator ya Japan (J-PARC) na kutambuliwa kwenye kigunduzi cha Water-Cerenkov huko Super-Kamiokande, baada ya kusafiri umbali wa kilomita 295 kupitia Dunia. Kwa kuwa kiongeza kasi hiki kinaweza kutoa mihimili ya ama 𝜈_𝜇 au antiparticle yake 𝜈̅𝜇, na kigunduzi kinaweza kugundua 𝜈_𝜇,𝜈_𝑒 na antiparticles zao 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, wana matokeo kutoka kwa michakato minne tofauti ya oscillation na wanaweza kufanya uchambuzi ili kupata mipaka ya ufanisi kwenye vigezo vya oscillation. Walakini, awamu ya kukiuka CP 𝛿_𝐶𝑃 huonekana tu katika mchakato wakati neutrino hubadilisha ladha yaani katika oscillations 𝜈𝜇→𝜈𝑒 na 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - tofauti yoyote katika michakato hii miwili itamaanisha ukiukaji wa CP katika sekta ya leptoni.

Katika mawasiliano ya hivi majuzi, ushirikiano wa T2K umeripoti mipaka ya kuvutia kuhusu ukiukaji wa CP katika sekta ya neutrino, ikichanganua data iliyokusanywa mwaka wa 2009 na 2018 (8). Matokeo haya mapya yameondoa takriban 42% ya thamani zote zinazowezekana za 𝛿_𝐶𝑃. Muhimu zaidi, kesi wakati CP imehifadhiwa imeondolewa kwa uaminifu wa 95%, na wakati huo huo ukiukaji wa juu wa CP unaonekana kupendekezwa katika Hali.

Katika uwanja wa fizikia ya nishati ya juu, imani ya 5𝜎 (yaani 99.999%) inahitajika ili kudai ugunduzi mpya, kwa hivyo majaribio ya kizazi kijacho yanahitajika ili kupata takwimu za kutosha na usahihi wa juu zaidi ili ugunduzi wa awamu ya kukiuka CP. Hata hivyo matokeo ya hivi majuzi ya T2K ni maendeleo muhimu kuelekea uelewa wetu wa ulinganifu wa jambo-antimatter wa Ulimwengu kupitia ukiukaji wa CP katika sekta ya neutrino, kwa mara ya kwanza.

***

Marejeo:

1. Sakharov,Andrei D., 1991. ''Ukiukaji wa kutofautiana kwa CP, C asymmetry, na asymmetry ya baryon ya ulimwengu''. Fizikia ya Soviet Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Utangulizi wa mali ya leptogenesis na neutrino. Fizikia ya Kisasa Juzuu 53, 2012 - Toleo la 4 Kurasa 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. na Sakata S., 1962. Maoni juu ya mfano wa umoja wa chembe za msingi. Maendeleo ya Fizikia ya Kinadharia, Juzuu 28, Toleo la 5, Novemba 1962, Kurasa 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. INVERSE MCHAKATO WA BETA NA KUTOHIFADHIWA CHAJI YA LEPTON. Jarida la Fizikia ya Majaribio na Kinadharia (USSR) 34, 247-249 (Januari, 1958). Inapatikana mtandaoni http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Ilifikiwa tarehe 23 Aprili 2020.

5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [picha mtandaoni] Inapatikana kwa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Ilifikiwa tarehe 23 Aprili 2020.

6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Misa ya Neutrino, Mchanganyiko, na Oscillations, Phys. Mch. D98, 030001 (2018) na sasisho la 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Anajibu. Phys. Mchungaji Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. Ushirikiano wa T2K, 2020. Kizuizi kwenye awamu ya ukiukaji wa ulinganifu wa jambo–antimatter katika mtengano wa neutrino. Kiasi cha asili 580, kurasa339–344(2020). Iliyochapishwa: 15 Aprili 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***