T2K, dlouhá základní linie Neutrino oscilační experiment v Japonsku nedávno oznámil pozorování, kde odhalili silný důkaz rozdílu mezi základními fyzikálními vlastnostmi neutrina a odpovídajícího antihmotového protějšku, anti-neutrin. Toto pozorování naznačuje vysvětlení jedné z největších záhad vědy – vysvětlení nadvlády záležitost v Vesmír nad antihmotou, a tím i naší samotnou existencí.
Projekt záležitost- asymetrie antihmoty Vesmír
Podle teorie kosmologie byly částice a jejich antičástice produkovány v párech ze záření během velkého třesku. Antičástice jsou antihmoty, které mají téměř stejné fyzikální vlastnosti jako jejich záležitost protějšky, tj. částice, s výjimkou elektrického náboje a magnetických vlastností, které jsou obrácené. Nicméně, Vesmír existuje a je tvořen pouze hmotou ukazuje, že určitá symetrie hmoty a antihmoty byla narušena během Velkého třesku, kvůli čemuž nemohly páry zcela anihilovat a znovu vytvářet záření. Fyzici stále hledají známky porušení CP-symetrie, což zase může vysvětlit narušenou symetrii hmoty a antihmoty na počátku Vesmír.
CP-symetrie je produktem dvou různých symetrií – nábojové konjugace (C) a parity-reverze (P). Nábojová konjugace C při aplikaci na nabitou částici změní znaménko jejího náboje, takže kladně nabitá částice se stane záporně nabitou a naopak. Neutrální částice zůstávají působením C nezměněny. Symetrie obrácená paritou převrací prostorové souřadnice částice, na kterou působí – takže pravotočivá částice se stává levotočivou, podobně jako když stojíme před zrcadlem. Nakonec, když CP působí na pravotočivou záporně nabitou částici, přemění se na levostrannou kladně nabitou částici, což je antičástice. Tím pádem záležitost a antihmota spolu souvisí prostřednictvím CP-symetrie. Proto CP musel být porušen, aby bylo možné generovat pozorované asymetrie hmoty a antihmoty, na kterou poprvé upozornil Sacharov v roce 1967 (1).
Vzhledem k tomu, že gravitační, elektromagnetické i silné interakce jsou pod CP-symetrií neměnné, jediným místem, kde lze v přírodě hledat porušení CP, jsou kvarky a/nebo leptony, které interagují prostřednictvím slabé interakce. Dosud bylo porušení CP měřeno experimentálně v kvarkovém sektoru, je však příliš malé na to, aby bylo možné vytvořit odhadovanou asymetrii Vesmír. Pochopení narušení CP v leptonovém sektoru je proto ve zvláštním zájmu fyziků, aby pochopili existenci Vesmír. Porušení CP v leptonovém sektoru může být použito k vysvětlení asymetrie hmoty a antihmoty prostřednictvím procesu zvaného leptogeneze (2).
Proč jsou neutrina důležitá?
Neutrin jsou nejmenší, masivní částice přírody s nulovým elektrickým nábojem. Být elektricky neutrální, neutrina nemohou mít elektromagnetické interakce a nemají ani silné interakce. Neutrina mají nepatrnou hmotnost v řádu 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), proto je gravitační interakce také velmi slabá. Jediná možnost neutrina může interagovat s jinými částicemi prostřednictvím slabých interakcí krátkého dosahu.
Tato slabě interagující vlastnost neutrina, nicméně z nich dělá zajímavou sondu pro studium vzdálených astrofyzikálních objektů. Zatímco i fotony mohou být zakryty, rozptýleny a rozptýleny prachem, částicemi plynu a zářením pozadí přítomnými v mezihvězdném médiu, neutrina může projít většinou bez překážek a dostat se k pozemským detektorům. V současném kontextu, vzhledem k tomu, že je neutrino-sektor slabě interagující, může být životaschopným kandidátem, který přispěje k narušení CP.
Oscilace neutrin a porušení CP
Existují tři typy neutrin (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 a 𝜈𝜏 – jeden spojený s každým leptonem má příchuť elektron (e), mion (𝜇) a tau (𝜏). Neutrina jsou produkována a detekována jako chuťově-vlastní stavy prostřednictvím slabých interakcí ve spojení s nabitým leptonem odpovídající příchutě, zatímco se šíří jako stavy s určitou hmotností, nazývané hmotnostní vlastní stavy. Paprsek neutrin s definitivní příchutí u zdroje se tak stává směsí všech tří různých příchutí v místě detekce poté, co projde určitou délkou cesty – podíl různých stavů příchuti závisí na parametrech systému. Tento jev je známý jako oscilace neutrin, díky čemuž jsou tyto drobné částice velmi zvláštní!
Teoreticky lze každý z chuťově-vlastních stavů neutrin vyjádřit jako lineární kombinaci všech tří hmotnostních vlastních stavů a naopak a míchání lze popsat jednotnou maticí nazvanou Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matice (3,4 ,3). Tato XNUMX-rozměrná unitární směšovací matice může být parametrizována třemi úhly směšování a komplexními fázemi. Z těchto komplexních fází je oscilace neutrin citlivá pouze na jednu fázi, nazvanou 𝛿𝐶𝑃a je to jedinečný zdroj narušení CP v leptonovém sektoru. 𝛿𝐶𝑃 může nabývat libovolné hodnoty v rozsahu −180° a 180°. Zatímco 𝛿𝐶𝑃=0,±180° znamená, že neutrina a antineutrina se chovají identicky a CP je zachována, 𝛿𝐶𝑃=±90° označuje maximální porušení CP v leptonovém sektoru standardního modelu. Jakákoli střední hodnota svědčí o porušení CP v různých stupních. Proto měření 𝛿𝐶𝑃 je jedním z nejdůležitějších cílů komunity fyziky neutrin.
Měření parametrů kmitání
Neutrina jsou produkována v hojnosti během jaderných reakcí, jako jsou ty na Slunci, jiných hvězdách a supernovách. Jsou také produkovány v zemské atmosféře interakcí vysokoenergetického kosmického záření s atomovými jádry. Abychom měli představu o toku neutrin, každou sekundu námi projde asi 100 bilionů. Ale ani si to neuvědomujeme, protože interagují velmi slabě. Díky tomu je měření vlastností neutrin během experimentů s oscilací neutrin opravdu náročným úkolem!
K měření těchto nepolapitelných částic jsou neutrinové detektory velké, mají kilotuny hmotnosti a experimenty trvají několik let, než se dosáhnou statisticky významných výsledků. Kvůli jejich slabým interakcím trvalo vědcům asi 25 let, než experimentálně detekovali první neutrino poté, co Pauli předpokládal jejich přítomnost v roce 1932, aby vysvětlil zachování energie-hybnosti při jaderném beta rozpadu (zobrazeno na obrázku (5)).
Vědci změřili všechny tři směšovací úhly s více než 90% přesností při 99.73% (3𝜎) spolehlivosti (6). Dva ze směšovacích úhlů jsou velké, aby vysvětlily oscilace slunečních a atmosférických neutrin, třetí úhel (pojmenovaný 𝜃13) je malá, nejvhodnější hodnota je přibližně 8.6° a byla experimentálně změřena teprve nedávno v roce 2011 experimentem s neutrinem v reaktoru Daya-Bay v Číně. V matici PMNS je fáze 𝛿𝐶𝑃 se objevuje pouze v kombinaci sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, provádění experimentálního měření 𝛿𝐶𝑃 obtížný.
Parametr, který kvantifikuje míru porušení CP v kvarkových i neutrino-sektorech, se nazývá Jarlskogův invariant 𝐽𝐶𝑃 (7), který je funkcí úhlů míšení a fáze porušující CP. Pro kvarkový sektor 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , zatímco pro neutrino-sektor 𝐽𝐶𝑃~0.033 hříchu𝛿𝐶𝑃, a tedy může být až o tři řády větší než 𝐽𝐶𝑃 v kvarkovém sektoru, v závislosti na hodnotě 𝛿𝐶𝑃.
Výsledek z T2K – nápověda k vyřešení záhady asymetrie hmoty a antihmoty
V experimentu T2K s oscilací neutrin s dlouhou základní linií (Tokai-to-Kamioka v Japonsku) jsou paprsky neutrin nebo antineutrin generovány v Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) a detekovány na detektoru Water-Cerenkov v Super-Kamiokande, po překonání vzdálenosti 295 km po Zemi. Protože tento urychlovač může produkovat paprsky obou 𝜈𝜇 nebo jeho antičástice 𝜈̅𝜇, a detektor dokáže detekovat 𝜈𝜇,𝜈𝑒 a jejich antičástice 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, mají výsledky ze čtyř různých oscilačních procesů a mohou provádět analýzu pro získání efektivních hranic oscilačních parametrů. Nicméně fáze porušující CP 𝛿𝐶𝑃 se objevuje pouze v procesu, kdy neutrina mění chuť, tj. v oscilacích 𝜈𝜇→𝜈𝑒 a 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – jakýkoli rozdíl v těchto dvou procesech by znamenal porušení CP v leptonovém sektoru.
V nedávném sdělení spolupráce T2K oznámila zajímavé hranice narušení CP v sektoru neutrin, přičemž analyzovala data shromážděná během let 2009 a 2018 (8). Tento nový výsledek vyloučil asi 42 % všech možných hodnot 𝛿𝐶𝑃. Ještě důležitější je, že případ, kdy je CP konzervován, byl s 95% spolehlivostí vyloučen a zároveň se zdá, že v přírodě je preferováno maximální porušení CP.
V oblasti fyziky vysokých energií je pro tvrzení o novém objevu vyžadována důvěra 5𝜎 (tj. 99.999 %), proto jsou vyžadovány experimenty nové generace pro získání dostatečných statistik a vyšší přesnosti pro objev fáze porušující CP. Nedávný výsledek T2K však představuje významný pokrok směrem k našemu chápání asymetrie hmoty a antihmoty Vesmír prostřednictvím porušení CP v neutrino-sektoru, poprvé.
***
Reference:
1. Sacharov, Andrei D., 1991. ''Porušení CP invariance, C asymetrie a baryonové asymetrie vesmíru''. Sovětská fyzika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Úvod do leptogeneze a vlastností neutrin. Současná fyzika, ročník 53, 2012 – číslo 4, strany 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. a Sakata S., 1962. Poznámky k jednotnému modelu elementárních částic. Progress of Theoretical Physics, svazek 28, číslo 5, listopad 1962, strany 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERZNÍ BETA PROCESY A NEZACHOVÁNÍ LEPTONOVÉHO NÁBOJE. Journal of Experimental and Theoretical Physics (SSSR) 34, 247-249 (leden 1958). Dostupný online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Zpřístupněno 23. dubna 2020.
5. Indukční zátěž, 2007. Beta-minus Rozpad. [obrázek online] Dostupné na https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Zpřístupněno 23. dubna 2020.
6. Tanabashi M. a kol. (Particle Data Group), 2018. Hmotnosti neutrin, míchání a oscilace, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) a aktualizace z roku 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog odpovídá. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Omezení na fázi narušující symetrii hmoty a antihmoty v oscilacích neutrin. Příroda svazek 580, strany 339–344 (2020). Zveřejněno: 15. dubna 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
