Membongkar Misteri Asimetri Jirim-Antimajirim Alam Semesta dengan Eksperimen Ayunan Neutrino

T2K, garis dasar panjang neutrino eksperimen ayunan di Jepun, baru-baru ini melaporkan pemerhatian di mana mereka telah mengesan bukti kukuh tentang perbezaan antara sifat fizikal asas neutrino dan rakan sejawatan antijirim yang sepadan, anti-neutrino. Pemerhatian ini membayangkan untuk menerangkan salah satu misteri terbesar sains - penjelasan untuk penguasaan penting dalam Universe lebih antimateri, dan dengan itu kewujudan kita sendiri.

. penting-antimateri asimetri daripada Universe

Menurut teori Kosmologi, zarah dan antizarahnya dihasilkan secara berpasangan daripada sinaran semasa Big-Bang. Antizarah ialah antijirim yang mempunyai sifat fizikal yang hampir sama dengannya penting rakan sejawatan iaitu zarah, kecuali cas elektrik dan sifat magnet yang diterbalikkan. Walau bagaimanapun Universe wujud dan hanya terdiri daripada jirim menunjukkan bahawa beberapa simetri jirim-antimateri telah rosak semasa Big-Bang, yang menyebabkan pasangan itu tidak dapat memusnahkan sepenuhnya menghasilkan sinaran semula. Ahli fizik masih mencari tandatangan pelanggaran CP-simetri, yang seterusnya dapat menjelaskan simetri jirim-antimatter yang pecah pada awalnya. Universe.

CP-simetri ialah hasil dua simetri yang berbeza - caj-konjugasi (C) dan pariti-terbalikan (P). Caj-konjugasi C apabila dikenakan pada zarah bercas mengubah tanda casnya, jadi zarah bercas positif menjadi bercas negatif dan begitu juga sebaliknya. Zarah neutral kekal tidak berubah di bawah tindakan C. Simetri pembalikan pariti membalikkan koordinat spatial zarah yang bertindak ke atasnya – jadi zarah tangan kanan menjadi kidal, sama seperti yang berlaku apabila seseorang berdiri di hadapan cermin. Akhirnya, apabila CP bertindak pada zarah bercas negatif tangan kanan, ia ditukar kepada zarah bercas positif kidal, iaitu antizarah. Justeru penting dan antijirim berkait antara satu sama lain melalui simetri CP. Oleh itu CP mesti telah dilanggar untuk menghasilkan pemerhatian asimetri jirim-antimateri, yang pertama kali ditunjukkan oleh Sakharov pada tahun 1967 (1).

Oleh kerana interaksi graviti, elektromagnet serta kuat adalah invarian di bawah simetri CP, satu-satunya tempat untuk mencari pelanggaran CP dalam Alam adalah dalam kes quark dan/atau lepton, yang berinteraksi melalui interaksi yang lemah. Sehingga kini, pelanggaran CP telah diukur secara eksperimen dalam sektor kuark, namun, ia terlalu kecil untuk menjana anggaran asimetri Universe. Oleh itu, memahami pelanggaran CP dalam sektor lepton adalah menarik minat ahli Fizik untuk memahami kewujudan Universe. Pelanggaran CP dalam sektor lepton boleh digunakan untuk menjelaskan asimetri jirim-antimateri melalui proses yang dipanggil leptogenesis (2).

Mengapakah neutrino penting?

Neutrinos adalah zarah terkecil dan masif Alam dengan cas elektrik sifar. Menjadi neutral elektrik, neutrino tidak boleh mempunyai interaksi elektromagnet, dan mereka juga tidak mempunyai interaksi yang kuat. Neutrino mempunyai jisim kecil tertib 0.1 eV (~ 2 × 10-³⁷kg), maka interaksi graviti juga sangat lemah. Satu-satunya cara neutrino boleh berinteraksi dengan zarah lain adalah melalui interaksi lemah jarak dekat.

Sifat berinteraksi lemah ini bagi neutrino, bagaimanapun, menjadikan mereka satu siasatan yang menarik untuk mengkaji objek astrofizik yang jauh. Walaupun foton pun boleh dikaburkan, disebarkan dan diserakkan oleh habuk, zarah gas dan sinaran latar belakang yang terdapat dalam medium antara bintang, neutrino boleh melepasi kebanyakannya tanpa halangan dan mencapai pengesan berasaskan Bumi. Dalam konteks semasa, kerana berinteraksi dengan lemah, sektor neutrino boleh menjadi calon yang berdaya maju untuk menyumbang kepada pelanggaran CP.

Ayunan neutrino dan pelanggaran CP

Terdapat tiga jenis neutrino (𝜈) – 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 dan 𝜈_𝜏 – satu yang dikaitkan dengan setiap perisa lepton elektron (e), muon (𝜇) dan tau (𝜏). Neutrino dihasilkan dan dikesan sebagai rasa-eigenstates melalui interaksi lemah dalam hubungan dengan lepton bercas bagi rasa sepadan, manakala ia merambat sebagai keadaan dengan jisim yang pasti, dipanggil jisim-eigenstates. Oleh itu pancaran neutrino rasa pasti pada sumber menjadi campuran ketiga-tiga perisa yang berbeza pada titik pengesanan selepas melalui beberapa laluan-panjang - perkadaran keadaan perisa yang berbeza bergantung pada parameter sistem. Fenomena ini dikenali sebagai ayunan neutrino, yang menjadikan zarah-zarah kecil ini sangat istimewa!

Secara teorinya, setiap keadaan-eigen rasa neutrino boleh dinyatakan sebagai gabungan linear ketiga-tiga keadaan eigen jisim dan sebaliknya dan pencampuran boleh digambarkan oleh matriks unitari yang dipanggil matriks Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Matriks pencampuran unit XNUMX dimensi ini boleh diparameterkan oleh tiga sudut pencampuran dan fasa kompleks. Daripada fasa kompleks ini, ayunan neutrino adalah sensitif kepada hanya satu fasa, dinamakan 𝛿_𝐶𝑃, dan ia merupakan sumber unik pelanggaran CP dalam sektor lepton. 𝛿_𝐶𝑃 boleh mengambil sebarang nilai dalam julat −180° dan 180°. Manakala 𝛿_𝐶𝑃=0,±180° bermakna neutrino dan antineutrino berkelakuan sama dan CP dipelihara, 𝛿_𝐶𝑃=±90° menunjukkan pelanggaran CP maksimum dalam sektor lepton Model Standard. Sebarang nilai perantaraan menunjukkan pelanggaran CP pada tahap yang berbeza. Oleh itu pengukuran 𝛿_𝐶𝑃 adalah salah satu matlamat terpenting komuniti fizik neutrino.

Pengukuran parameter ayunan

Neutrino dihasilkan dengan banyak semasa tindak balas nuklear, seperti yang terdapat di Matahari, bintang lain dan supernova. Ia juga dihasilkan di atmosfera Bumi melalui interaksi sinar kosmik bertenaga tinggi dengan nukleus atom. Untuk mempunyai idea tentang fluks neutrino, kira-kira 100 trilion melalui kita setiap saat. Tetapi kita tidak menyedarinya kerana mereka sangat lemah berinteraksi. Ini menjadikan pengukuran sifat neutrino semasa eksperimen ayunan neutrino sebagai kerja yang sangat mencabar!

Untuk mengukur zarah yang sukar difahami ini, pengesan neutrino adalah besar, mempunyai berkilo-tan jisim dan eksperimen mengambil masa beberapa tahun untuk mencapai keputusan yang ketara secara statistik. Kerana interaksi lemah mereka, saintis mengambil masa kira-kira 25 tahun untuk mengesan neutrino pertama secara eksperimen selepas Pauli membuat postulat kehadiran mereka pada tahun 1932 untuk menerangkan pemuliharaan momentum tenaga dalam pereputan beta nuklear (ditunjukkan dalam rajah (5)).

Para saintis telah mengukur ketiga-tiga sudut pencampuran dengan ketepatan lebih daripada 90% pada keyakinan 99.73% (3𝜎) (6). Dua daripada sudut pencampuran adalah besar untuk menerangkan ayunan neutrino suria dan atmosfera, sudut ketiga (bernama 𝜃₁₃) adalah kecil, nilai paling sesuai iaitu kira-kira 8.6°, dan hanya diukur secara eksperimen baru-baru ini pada tahun 2011 oleh eksperimen neutrino reaktor Daya-Bay di China. Dalam matriks PMNS, fasa 𝛿_𝐶𝑃 muncul hanya dalam gabungan sin𝜃₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} membuat pengukuran eksperimen 𝛿_𝐶𝑃 sukar.

Parameter yang mengukur jumlah pelanggaran CP dalam kedua-dua sektor quark dan neutrino dipanggil invarian Jarlskog 𝐽_𝐶𝑃 (7), yang merupakan fungsi sudut pencampuran dan fasa melanggar CP. Untuk sektor kuark 𝐽_𝐶𝑃~3×10^-5 , manakala bagi sektor neutrino 𝐽_𝐶𝑃~0.033 dosa𝛿_𝐶𝑃, dan dengan itu boleh menjadi sehingga tiga urutan magnitud lebih besar daripada 𝐽_𝐶𝑃 dalam sektor kuark, bergantung pada nilai 𝛿_𝐶𝑃.

Hasil daripada T2K – petunjuk ke arah menyelesaikan misteri asimetri jirim-antimateri

Dalam eksperimen ayunan neutrino garis panjang T2K (Tokai-to-Kamioka di Jepun), rasuk neutrino atau antineutrino dijana di Kompleks Penyelidikan Pemecut Proton Jepun (J-PARC) dan dikesan di pengesan Water-Cerenkov di Super-Kamiokande, selepas menempuh jarak 295km melalui Bumi. Memandangkan pemecut ini boleh menghasilkan pancaran sama ada 𝜈_𝜇 atau antizarahnya 𝜈̅𝜇, dan pengesan boleh mengesan 𝜈_𝜇,𝜈_𝑒 dan antizarahnya 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, mereka mempunyai hasil daripada empat proses ayunan yang berbeza dan boleh melakukan analisis untuk mendapatkan sempadan yang cekap pada parameter ayunan. Walau bagaimanapun, fasa melanggar CP 𝛿_𝐶𝑃 muncul hanya dalam proses apabila neutrino menukar perisa iaitu dalam ayunan 𝜈𝜇→𝜈𝑒 dan 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – sebarang perbezaan dalam kedua-dua proses ini akan membayangkan pelanggaran CP dalam sektor lepton.

Dalam komunikasi baru-baru ini, kerjasama T2K telah melaporkan sempadan yang menarik tentang pelanggaran CP dalam sektor neutrino, menganalisis data yang dikumpul semasa 2009 dan 2018 (8). Keputusan baharu ini menolak kira-kira 42% daripada semua kemungkinan nilai 𝛿_𝐶𝑃. Lebih penting lagi, kes apabila CP dipelihara telah diketepikan pada keyakinan 95%, dan pada masa yang sama pelanggaran CP maksimum nampaknya diutamakan dalam Alam Semulajadi.

Dalam bidang fizik bertenaga tinggi, keyakinan 5𝜎 (iaitu 99.999%) diperlukan untuk menuntut penemuan baharu, oleh itu eksperimen generasi seterusnya diperlukan untuk mendapatkan statistik yang mencukupi dan ketepatan yang lebih tinggi untuk penemuan fasa melanggar CP. Walau bagaimanapun, keputusan T2K baru-baru ini merupakan perkembangan penting ke arah pemahaman kita tentang asimetri jirim-antimateri bagi Universe melalui pelanggaran CP dalam sektor neutrino, buat kali pertama.

***

Rujukan:

1. Sakharov,Andrei D., 1991. ''Pelanggaran invarians CP, asimetri C, dan asimetri baryon alam semesta''. Fizik Soviet Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Pengenalan kepada sifat leptogenesis dan neutrino. Fizik Kontemporari Jilid 53, 2012 – Isu 4 Muka Surat 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. dan Sakata S., 1962. Remarks on the unitified model of elementary particles. Kemajuan Fizik Teoritikal, Jilid 28, Isu 5, November 1962, Halaman 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. PROSES BETA TERBALIK DAN BUKAN PEMULIHARAAN CAJ LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (Januari, 1958). Tersedia dalam talian http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Diakses pada 23 April 2020.

5. Beban Induktif, 2007. Pereputan Beta-tolak. [imej dalam talian] Tersedia di https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Diakses pada 23 April 2020.

6. Tanabashi M., et al. (Kumpulan Data Zarah), 2018. Jisim Neutrino, Pencampuran dan Ayunan, Fizi. Rev. D98, 030001 (2018) dan kemas kini 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Responds. Fizik. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. Kerjasama T2K, 2020. Kekangan pada fasa pelanggaran simetri jirim-antimateri dalam ayunan neutrino. Jilid semula jadi 580, halaman339–344(2020). Diterbitkan: 15 April 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***