T2K, długa linia bazowa neutrin eksperymentu oscylacyjnego w Japonii, niedawno ogłosili obserwację, w wyniku której wykryli mocne dowody na różnicę pomiędzy podstawowymi właściwościami fizycznymi neutrina oraz odpowiadający im odpowiednik antymaterii, antyneutrina. Obserwacja ta sugeruje wyjaśnienie jednej z największych zagadek nauki – wyjaśnienia dominacji znaczenia Wszechświat nad antymaterią, a tym samym nasze istnienie.
Połączenia znaczenia-asymetria antymaterii Wszechświat
Zgodnie z teorią kosmologii, cząstki i ich antycząstki powstały parami w wyniku promieniowania podczas Wielkiego Wybuchu. Antycząstki to antymaterie posiadające prawie takie same właściwości fizyczne jak ich znaczenia odpowiedniki, czyli cząstki, z wyjątkiem ładunku elektrycznego i właściwości magnetycznych, które są odwrócone. Jednakże Wszechświat istnieje i składa się wyłącznie z materii, co wskazuje, że pewna symetria materia-antymateria została złamana w trakcie Wielkiego Wybuchu, przez co pary nie mogły całkowicie anihilować, wytwarzając ponownie promieniowanie. Fizycy wciąż szukają sygnatur naruszenia symetrii CP, co z kolei może wyjaśnić zerwaną symetrię materia-antymateria we wczesnych latach Wszechświat.
Symetria CP jest iloczynem dwóch różnych symetrii – koniugacji ładunku (C) i odwrócenia parzystości (P). Koniugacja ładunku C po zastosowaniu na naładowanej cząstce zmienia znak jej ładunku, więc cząstka naładowana dodatnio staje się naładowana ujemnie i odwrotnie. Cząstki neutralne pozostają niezmienione pod działaniem C. Symetria z odwróceniem parzystości odwraca współrzędne przestrzenne cząstki, na którą oddziałuje – w ten sposób cząstka prawoskrętna staje się lewoskrętna, podobnie jak dzieje się, gdy stoimy przed lustrem. Wreszcie, gdy CP działa na prawoskrętną ujemnie naładowaną cząstkę, zostaje ona przekształcona w lewoskrętną dodatnio naładowaną cząstkę, która jest antycząstką. Zatem znaczenia i antymateria są ze sobą powiązane poprzez symetrię CP. Zatem CP musiało zostać naruszone, aby wygenerować obserwowane asymetria materia-antymateria, na co po raz pierwszy zwrócił uwagę Sacharow w 1967 r. (1).
Ponieważ oddziaływania grawitacyjne, elektromagnetyczne, a także silne są niezmienne w ramach symetrii CP, jedynym miejscem, w którym można szukać naruszeń CP w Naturze, są kwarki i/lub leptony, które oddziałują poprzez słabe oddziaływanie. Do tej pory naruszenie CP było mierzone eksperymentalnie w sektorze kwarków, jednak jest ono zbyt małe, aby wygenerować szacunkową asymetrię Wszechświat. Dlatego zrozumienie naruszenia CP w sektorze leptonowym jest przedmiotem szczególnego zainteresowania fizyków, ponieważ chcą zrozumieć istnienie Wszechświat. Naruszenie CP w sektorze leptonowym można wykorzystać do wyjaśnienia asymetrii materii i antymaterii w procesie zwanym leptogenezą (2).
Dlaczego neutrina są ważne?
neutrina to najmniejsze, masywne cząstki Natury o zerowym ładunku elektrycznym. Będąc neutralnym elektrycznie, neutrina nie mogą mieć oddziaływań elektromagnetycznych i nie mają też oddziaływań silnych. Neutrina mają maleńkie masy rzędu 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), stąd też oddziaływanie grawitacyjne jest również bardzo słabe. Jedyny sposób neutrina mogą oddziaływać z innymi cząstkami poprzez słabe oddziaływania krótkiego zasięgu.
Ta słabo oddziałująca właściwość neutrinaczyni je jednak interesującą sondą do badania odległych obiektów astrofizycznych. Chociaż nawet fotony mogą być przesłonięte, rozproszone i rozproszone przez pył, cząsteczki gazu i promieniowanie tła obecne w ośrodku międzygwiazdowym, neutrina może przejść w większości bez przeszkód i dotrzeć do detektorów naziemnych. W obecnym kontekście, słabo oddziałujący ze sobą, sektor neutrin może być realnym kandydatem, który może przyczynić się do naruszenia zasady CP.
Oscylacja neutrin i naruszenie CP
Istnieją trzy rodzaje neutrin (𝜈) – 𝜈𝑒,𝜇 i𝜏 – po jednym związanym z każdym leptonem, który smakuje elektronem (e), mionem (𝜇) i tau (𝜏). Neutrina są wytwarzane i wykrywane jako stany własne smaku poprzez słabe interakcje w połączeniu z naładowanym leptonem odpowiedniego smaku, podczas gdy rozprzestrzeniają się jako stany o określonych masach, zwane stanami własnymi smaku. W ten sposób wiązka neutrin o określonym aromacie u źródła staje się mieszaniną wszystkich trzech różnych smaków w punkcie wykrycia po przebyciu pewnej długości ścieżki – proporcja różnych stanów aromatu zależy od parametrów układu. Zjawisko to znane jest jako oscylacja neutrin, co czyni te maleńkie cząstki czymś wyjątkowym!
Teoretycznie każdy ze stanów własnych smaku neutrinowego można wyrazić jako liniową kombinację wszystkich trzech stanów własnych mas i odwrotnie, a mieszanie można opisać za pomocą jednolitej macierzy zwanej macierzą Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Ta trójwymiarowa jednolita macierz mieszania może być sparametryzowana za pomocą trzech kątów mieszania i złożonych faz. Spośród tych złożonych faz oscylacja neutrin jest wrażliwa tylko na jedną fazę o nazwie 𝛿𝐶𝑃., i jest unikalnym źródłem naruszeń CP w sektorze leptonów. δ𝐶𝑃. może przyjmować dowolną wartość z zakresu -180° i 180°. Chociaż 𝛿𝐶𝑃.=0,±180° oznacza, że neutrina i antyneutrina zachowują się identycznie, a CP jest zachowane, 𝛿𝐶𝑃.=±90° oznacza maksymalne naruszenie CP w sektorze leptonowym Modelu Standardowego. Każda wartość pośrednia wskazuje na naruszenie CP w różnym stopniu. Stąd pomiar 𝛿𝐶𝑃. jest jednym z najważniejszych celów społeczności fizyków neutrin.
Pomiar parametrów oscylacji
Neutrina są produkowane w dużych ilościach podczas reakcji jądrowych, takich jak te na Słońcu, innych gwiazdach i supernowych. Są one również wytwarzane w atmosferze ziemskiej poprzez oddziaływanie wysokoenergetycznych promieni kosmicznych z jądrami atomowymi. Aby mieć pojęcie o strumieniu neutrin, co sekundę przechodzi przez nas około 100 bilionów. Ale nawet nie zdajemy sobie z tego sprawy, ponieważ bardzo słabo oddziałują. To sprawia, że pomiar właściwości neutrin podczas eksperymentów z oscylacją neutrin jest naprawdę trudnym zadaniem!
Aby zmierzyć te nieuchwytne cząstki, detektory neutrin są duże, mają kilogramy masy, a eksperymenty potrzebują kilku lat, aby osiągnąć statystycznie istotne wyniki. Z powodu ich słabych oddziaływań naukowcom zajęło około 25 lat wykrycie eksperymentalnie pierwszego neutrina po tym, jak Pauli postulował ich obecność w 1932 roku, aby wyjaśnić zachowanie energii i pędu w jądrowym rozpadzie beta (pokazanym na rycinie (5)).
Naukowcy zmierzyli wszystkie trzy kąty mieszania z ponad 90% dokładnością przy 99.73% (3𝜎) pewności (6). Dwa kąty mieszania są duże, aby wyjaśnić oscylacje neutrin słonecznych i atmosferycznych, trzeci kąt (o nazwie 𝜃13) jest niewielka, najlepiej dopasowana wartość wynosi około 8.6° i została zmierzona eksperymentalnie dopiero w 2011 r. w eksperymencie neutrin reaktora Daya-Bay w Chinach. W macierzy PMNS faza 𝛿𝐶𝑃. pojawia się tylko w kombinacji sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃., dokonywanie eksperymentalnego pomiaru 𝛿𝐶𝑃. trudny.
Parametr określający ilość naruszeń CP zarówno w sektorze kwarkowym, jak i neutrinowym nazywa się niezmiennikiem Jarlskoga 𝐽𝐶𝑃. (7), który jest funkcją kątów mieszania i fazy naruszającej CP. Dla sektora kwarków 𝐽𝐶𝑃.~3×10-5 , natomiast dla sektora neutrin 𝐽𝐶𝑃.~0.033 grzech𝛿𝐶𝑃., a zatem może być do trzech rzędów wielkości większy niż 𝐽𝐶𝑃. w sektorze kwarków, w zależności od wartości 𝛿𝐶𝑃..
Wynik T2K – wskazówka do rozwiązania zagadki asymetrii materia-antymateria
W eksperymencie T2K (Tokai-to-Kamioka w Japonii) o długiej linii bazowej (Tokai-to-Kamioka w Japonii) wiązki neutrin lub antyneutrin są generowane w Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) i wykrywane w detektorze Water-Cerenkov w Super-Kamiokande, po przebyciu odległości 295 km przez Ziemię. Ponieważ ten akcelerator może wytwarzać wiązki𝜇 lub jego antycząstka 𝜈̅𝜇, a detektor może wykryć 𝜈𝜇,𝑒 i ich antycząstki 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, mają wyniki z czterech różnych procesów oscylacji i mogą przeprowadzić analizę, aby uzyskać efektywne ograniczenia parametrów oscylacji. Jednak faza naruszająca CP 𝛿𝐶𝑃. pojawia się tylko w procesie, w którym neutrina zmieniają smak, tj. w oscylacjach 𝜈𝜇→𝜈𝑒 i 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – jakakolwiek różnica w tych dwóch procesach oznaczałaby naruszenie CP w sektorze leptonów.
W niedawnym komunikacie współpraca T2K doniosła o interesujących ograniczeniach dotyczących naruszania CP w sektorze neutrin, analizując dane zebrane w latach 2009 i 2018 (8). Ten nowy wynik wykluczył około 42% wszystkich możliwych wartości 𝛿𝐶𝑃.. Co ważniejsze, przypadek, w którym CP jest zachowana, został wykluczony z 95% pewnością, a jednocześnie maksymalne naruszenie CP wydaje się preferowane w Naturze.
W dziedzinie fizyki wysokich energii do stwierdzenia nowego odkrycia wymagana jest pewność na poziomie 5𝜎 (tj. 99.999%), dlatego wymagane są eksperymenty nowej generacji, aby uzyskać wystarczające statystyki i większą precyzję do odkrycia fazy naruszającej CP. Jednakże najnowsze wyniki T2K stanowią znaczący postęp w kierunku zrozumienia asymetrii materii i antymaterii Wszechświat po raz pierwszy poprzez naruszenie CP w sektorze neutrin.
***
Referencje:
1. Sacharow, Andrei D., 1991. „Naruszenie niezmienności CP, asymetrii C i asymetrii barionowej wszechświata”. Fizyka radziecka Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Wprowadzenie do właściwości leptogenezy i neutrin. Współczesna Fizyka Tom 53, 2012 – Wydanie 4 Strony 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. i Sakata S., 1962. Uwagi o zunifikowanym modelu cząstek elementarnych. Progress of Theoretical Physics, tom 28, wydanie 5, listopad 1962, strony 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ODWRÓCONE PROCESY BETA I NIEKONSERWACJA ŁADUNKU LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (ZSRR) 34, 247-249 (styczeń 1958). Dostępny online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Dostęp 23 kwietnia 2020 r.
5. Obciążenie indukcyjne, 2007. Rozpad beta-minus. [zdjęcie online] Dostępne pod adresem https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Dostęp 23 kwietnia 2020 r.
6. Tanabashi M. i in. (Grupa danych cząstek), 2018. Masy neutrin, mieszanie i oscylacje, fiz. Rev. D98, 030001 (2018) i aktualizacja 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog odpowiada. Fiz. Ks. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Ograniczenie materii – faza naruszająca symetrię antymaterii w oscylacjach neutrin. Nature tom 580, strony 339–344(2020). Opublikowano: 15 kwietnia 2020 r. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
