T2K, duga osnovna linija neutrina oscilacijski eksperiment u Japanu, nedavno je izvijestio o opažanju gdje su otkrili snažan dokaz razlike između temeljnih fizičkih svojstava neutrini i onaj odgovarajućeg pandana antimaterije, anti-neutrina. Ovo zapažanje nagovještava objašnjenje jedne od najvećih misterija znanosti – objašnjenje dominacije stvar u Svemir nad antimaterijom, a time i našim postojanjem.
Korištenje električnih romobila ističe stvar-antimaterija asimetrija Svemir
Prema teoriji kozmologije, čestice i njihove antičestice nastale su u parovima od zračenja tijekom Velikog praska. Antičestice su antimaterije koje imaju gotovo ista fizička svojstva kao i one stvar parnjaci, tj. čestice, osim električnog naboja i magnetskih svojstava koja su obrnuta. Međutim Svemir postoji i sastoji se samo od materije ukazuje na to da je neka simetrija materija-antimaterija prekinuta tijekom Velikog praska, zbog čega se parovi nisu mogli u potpunosti uništiti stvarajući ponovno zračenje. Fizičari još uvijek traže znakove kršenja CP-simetrije, što zauzvrat može objasniti prekinutu simetriju materije i antimaterije u ranom Svemir.
CP-simetrija je proizvod dviju različitih simetrija – konjugacije naboja (C) i preokreta pariteta (P). Konjugacija naboja C kada se primijeni na nabijenu česticu mijenja predznak njezina naboja, tako da pozitivno nabijena čestica postaje negativno nabijena i obrnuto. Neutralne čestice ostaju nepromijenjene pod djelovanjem C. Simetrija obrnutog pariteta preokreće prostorne koordinate čestice na koju djeluje – tako da čestica koja se kreće desno postaje ljevoruka, slično onome što se događa kada se stoji ispred ogledala. Konačno, kada CP djeluje na desnokretnu negativno nabijenu česticu, ona se pretvara u lijevokretnu pozitivno nabijenu česticu, koja je antičestica. Tako stvar i antimaterija međusobno su povezani CP-simetrijom. Stoga je CP morao biti prekršen da bi se generiralo promatrano asimetrija materija-antimaterija, na što je prvi ukazao Saharov 1967. (1).
Budući da su gravitacijske, elektromagnetske kao i jake interakcije nepromjenjive pod CP-simetrijom, jedino mjesto za traženje CP-kršenja u prirodi je u slučaju kvarkova i/ili leptona, koji međusobno djeluju putem slabe interakcije. Do sada je CP-kršenje eksperimentalno mjereno u kvarkovom sektoru, međutim, premalo je da bi se stvorila procijenjena asimetrija Svemir. Stoga je razumijevanje CP-kršenja u leptonskom sektoru od posebnog interesa za fizičare kako bi razumjeli postojanje Svemir. Povreda CP-a u leptonskom sektoru može se koristiti za objašnjenje asimetrije materije i antimaterije kroz proces koji se naziva leptogeneza (2).
Zašto su neutrini važni?
neutrini su najsitnije, masivne čestice prirode bez električnog naboja. Biti električki neutralan, neutrini ne mogu imati elektromagnetske interakcije, a nemaju ni jake interakcije. Neutrini imaju male mase reda veličine 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), stoga je gravitacijska interakcija također vrlo slaba. Jedini način neutrini može komunicirati s drugim česticama kroz slabe interakcije kratkog dometa.
Ovo svojstvo slabe interakcije neutrini, međutim, čini ih zanimljivom sondom za proučavanje udaljenih astrofizičkih objekata. Iako čak i fotoni mogu biti zaklonjeni, raspršeni i raspršeni prašinom, česticama plina i pozadinskim zračenjem prisutnim u međuzvjezdanom mediju, neutrini može proći uglavnom nesmetano i doći do detektora na Zemlji. U sadašnjem kontekstu, budući da je u slaboj interakciji, sektor neutrina može biti održiv kandidat za doprinos kršenju CP-a.
Neutrina oscilacija i CP-kršenje
Postoje tri vrste neutrina (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 i 𝜈𝜏 – jedan povezan sa svakim leptonom aromatizira elektron (e), mion (𝜇) i tau (𝜏). Neutrini se proizvode i detektiraju kao svojstvena stanja okusa putem slabih interakcija povezanih s nabijenim leptonom odgovarajućeg okusa, dok se šire kao stanja s određenim masama, koja se nazivaju svojstvena stanja mase. Stoga snop neutrina određenog okusa na izvoru postaje mješavina sva tri različita okusa na točki detekcije nakon putovanja određenom duljinom puta – udio različitih stanja okusa ovisi o parametrima sustava. Ovaj fenomen je poznat kao oscilacija neutrina, što ove sićušne čestice čini vrlo posebnima!
Teoretski, svako od vlastitih stanja okusa neutrina može se izraziti kao linearna kombinacija sva tri masena vlastita stanja i obrnuto, a miješanje se može opisati jedinstvenom matricom nazvanom Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrica (3,4 ,3). Ova XNUMX-dimenzionalna jedinstvena matrica miješanja može se parametrirati pomoću tri kuta miješanja i složenih faza. Od ovih složenih faza, neutrina oscilacija je osjetljiva samo na jednu fazu, nazvanu 𝛿𝐶𝑃, i to je jedinstveni izvor CP-kršenja u leptonskom sektoru. 𝛿𝐶𝑃 može uzeti bilo koju vrijednost u rasponu od -180° i 180°. Dok 𝛿𝐶𝑃=0,±180° znači da se neutrini i antineutrini ponašaju identično i da je CP očuvan, 𝛿𝐶𝑃=±90° označava maksimalno CP-kršenje u leptonskom sektoru Standardnog modela. Bilo koja srednja vrijednost ukazuje na CP-kršenje u različitim stupnjevima. Stoga mjerenje 𝛿𝐶𝑃 jedan je od najvažnijih ciljeva zajednice fizike neutrina.
Mjerenje parametara oscilacija
Neutrini se proizvode u izobilju tijekom nuklearnih reakcija, poput onih na Suncu, drugim zvijezdama i supernovama. Oni se također proizvode u Zemljinoj atmosferi interakcijom visokoenergetskih kozmičkih zraka s atomskim jezgrama. Da bismo imali predodžbu o fluksu neutrina, svake sekunde kroz nas prođe oko 100 trilijuna. Ali mi to ni ne shvaćamo jer su vrlo slabo u interakciji. To čini mjerenje svojstava neutrina tijekom eksperimenata s oscilacijom neutrina stvarno izazovnim poslom!
Za mjerenje ovih nedostižnih čestica, detektori neutrina su veliki, s kilotonima mase, a eksperimentima je potrebno nekoliko godina da se postignu statistički značajni rezultati. Zbog njihovih slabih interakcija, znanstvenicima je trebalo oko 25 godina da eksperimentalno otkriju prvi neutrino nakon što je Pauli 1932. pretpostavio njihovu prisutnost kako bi objasnio očuvanje energije i impulsa u nuklearnom beta raspadu (prikazano na slici (5)).
Znanstvenici su izmjerili sva tri kuta miješanja s više od 90% preciznosti s pouzdanošću od 99.73% (3𝜎) (6). Dva kuta miješanja su velika da objasne oscilacije solarnih i atmosferskih neutrina, treći kut (nazvan 𝜃13) je mala, najprikladnija vrijednost je otprilike 8.6°, a eksperimentalno je izmjerena tek nedavno 2011. u reaktorskom neutrinskom eksperimentu Daya-Bay u Kini. U PMNS matrici, faza 𝛿𝐶𝑃 pojavljuje se samo u kombinaciji sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, izvođenje eksperimentalnog mjerenja 𝛿𝐶𝑃 teže.
Parametar koji kvantificira količinu CP-kršenja i u kvarkovom i u neutrinskom sektoru naziva se Jarlskog invarijanta 𝐽𝐶𝑃 (7), što je funkcija kutova miješanja i faze kršenja CP. Za kvark sektor 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , dok je za sektor neutrina 𝐽𝐶𝑃~0.033 sin𝛿𝐶𝑃, i stoga može biti do tri reda veličine veći od 𝐽𝐶𝑃 u kvark-sektoru, ovisno o vrijednosti 𝛿𝐶𝑃.
Rezultat iz T2K – nagovještaj za rješavanje misterije asimetrije materije i antimaterije
U eksperimentu neutrina s dugom osnovnom linijom T2K (Tokai-to-Kamioka u Japanu), snopovi neutrina ili antineutrina generiraju se u Japanskom kompleksu za istraživanje protonskog akceleratora (J-PARC) i detektiraju na detektoru Water-Cerenkov u Super-Kamiokandeu, nakon što je prošao 295 km udaljenosti kroz Zemlju. Budući da ovaj akcelerator može proizvesti zrake od bilo kojeg 𝜈𝜇 ili njegovu antičesticu 𝜈̅𝜇, a detektor može otkriti 𝜈𝜇,𝜈𝑒 i njihove antičestice 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, imaju rezultate iz četiri različita procesa osciliranja i mogu izvršiti analizu kako bi dobili učinkovite granice parametara osciliranja. Međutim, faza kršenja CP 𝛿𝐶𝑃 pojavljuje se samo u procesu kada neutrini mijenjaju okuse tj. u oscilacijama 𝜈𝜇→𝜈𝑒 i 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – svaka razlika u ova dva procesa bi implicirala CP-kršenje u leptonskom sektoru.
U nedavnoj komunikaciji, T2K suradnja izvijestila je o zanimljivim granicama CP-kršenja u sektoru neutrina, analizirajući podatke prikupljene tijekom 2009. i 2018. (8). Ovaj novi rezultat isključio je oko 42% svih mogućih vrijednosti 𝛿𝐶𝑃. Što je još važnije, slučaj kada je CP sačuvan isključen je s 95% pouzdanosti, a istovremeno se čini da je maksimalno CP-kršenje preferirano u prirodi.
U području fizike visokih energija potrebno je povjerenje od 5𝜎 (tj. 99.999%) za tvrdnju o novom otkriću, stoga su potrebni eksperimenti sljedeće generacije kako bi se dobila dovoljna statistika i veća preciznost za otkrivanje faze koja krši CP. Međutim, nedavni rezultat T2K značajan je napredak prema našem razumijevanju asimetrije materija-antimaterija Svemir kroz CP-kršenje u neutrino-sektoru, po prvi put.
***
Reference:
1. Saharov, Andrei D., 1991. ''Kršenje CP invarijantnosti, C asimetrije i barionske asimetrije svemira''. Sovjetska fizika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Uvod u leptogenezu i svojstva neutrina. Suvremena fizika, svezak 53, 2012. – broj 4. stranice 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. i Sakata S., 1962. Napomene o jedinstvenom modelu elementarnih čestica. Napredak teorijske fizike, svezak 28, broj 5, studeni 1962., stranice 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERZNI BETA PROCESI I NEKONZERVACIJA LEPTONSKOG NABOJA. Časopis za eksperimentalnu i teorijsku fiziku (SSSR) 34, 247-249 (siječanj, 1958). Dostupno na internetu http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Pristupljeno 23. travnja 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [slika online] Dostupno na https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Pristupljeno 23. travnja 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Mass, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018.) i ažuriranje 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog odgovara. fiz. vlč. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. T2K Collaboration, 2020. Ograničenje na fazu narušavanja simetrije materije i antimaterije u neutrinskim oscilacijama. Priroda svezak 580, stranice 339–344 (2020). Objavljeno: 15. travnja 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
