T2K, довгобазова лінія нейтрино Коливальний експеримент в Японії, нещодавно повідомили про спостереження, де вони виявили вагомі докази різниці між фундаментальними фізичними властивостями нейтрино і відповідного відповідника антиматерії, антинейтрино. Це спостереження натякає на пояснення однієї з найбільших загадок науки – пояснення домінування питання в Всесвіт над антиматерією, а отже, над нашим існуванням.
Команда питання-асиметрія антиречовини Всесвіт
Відповідно до теорії космології, частинки та їх античастинки виникли парами з випромінювання під час Великого вибуху. Античастинки - це антиматерії, які мають майже такі ж фізичні властивості, як і вони питання відповідники, тобто частинки, за винятком електричного заряду та магнітних властивостей, які є протилежними. Однак, Всесвіт існує і складається лише з матерії, вказує на те, що деяка симетрія матерія-антиматерія була порушена під час Великого вибуху, через що пари не змогли повністю анігілювати, знову створюючи випромінювання. Фізики все ще шукають ознаки порушення CP-симетрії, що, у свою чергу, може пояснити порушену симетрію матерія-антиматерія на ранньому етапі Всесвіт.
CP-симетрія є продуктом двох різних симетрій – зарядового спряження (C) і зміни парності (P). Зарядове сполучення C при застосуванні до зарядженої частинки змінює знак її заряду, тому позитивно заряджена частинка стає негативно зарядженою і навпаки. Нейтральні частинки залишаються незмінними під дією C. Симетрія зміни парності змінює просторові координати частинки, на яку вона діє, тому права частинка стає лівою, подібно до того, що відбувається, коли людина стоїть перед дзеркалом. Нарешті, коли CP діє на праву негативно заряджену частинку, вона перетворюється на лівосторонню позитивно заряджену, яка є античастинкою. Таким чином питання і антиматерія пов'язані один з одним через CP-симетрію. Отже, CP має бути порушено, щоб створити спостережуване асиметрія матерія-антиречовина, на що вперше вказав Сахаров у 1967 році (1).
Оскільки гравітаційні, електромагнітні, а також сильні взаємодії є інваріантними щодо CP-симетрії, єдине місце, де можна шукати порушення CP у природі, це кварки та/або лептони, які взаємодіють через слабку взаємодію. Досі CP-порушення вимірювали експериментально в кварковому секторі, однак воно надто мало, щоб створити оцінену асиметрію Всесвіт. Отже, розуміння CP-порушення в лептонному секторі становить особливий інтерес для фізиків, щоб зрозуміти існування Всесвіт. Порушення СР у лептонному секторі можна використовувати для пояснення асиметрії матерія-антиматерія через процес, який називається лептогенез (2).
Чому нейтрино важливі?
Нейтрино це найдрібніші, масивні частинки природи з нульовим електричним зарядом. Будучи електрично нейтральним, нейтрино не можуть мати електромагнітних взаємодій, і вони також не мають сильних взаємодій. Нейтрино мають крихітні маси порядку 0.1 еВ (~ 2 × 10-37кг), тому гравітаційна взаємодія також дуже слабка. Єдиний спосіб нейтрино може взаємодіяти з іншими частинками через короткочасні слабкі взаємодії.
Це слабко взаємодіюча властивість нейтрино, однак, робить їх цікавим зондом для вивчення віддалених астрофізичних об’єктів. Хоча навіть фотони можуть бути затемнені, розсіяні та розсіяні пилом, частинками газу та фоновим випромінюванням, присутнім у міжзоряному середовищі, нейтрино може проходити майже безперешкодно і досягати наземних детекторів. У нинішньому контексті, будучи слабко взаємодіючим, нейтрино-сектор може бути життєздатним кандидатом для сприяння CP-порушенню.
Осциляція нейтрино і CP-порушення
Існує три типи нейтрино (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 і 𝜈𝜏 – один, пов’язаний з кожним лептоном, ароматизує електрон (e), мюон (𝜇) і тау (𝜏). Нейтрино утворюються та виявляються як власні ароматичні стани через слабкі взаємодії в асоціації із зарядженим лептоном відповідного аромату, тоді як вони поширюються як стани з певними масами, які називаються масовими власними станами. Таким чином, пучок нейтрино з певним ароматом у джерела стає сумішшю всіх трьох різних ароматів у точці виявлення після проходження певної довжини шляху – частка різних станів аромату залежить від параметрів системи. Це явище відоме як коливання нейтрино, що робить ці крихітні частинки дуже особливими!
Теоретично, кожне з власних станів смаку нейтрино може бути виражено як лінійна комбінація всіх трьох масових власних станів і навпаки, а змішування може бути описано унітарною матрицею, яка називається матрицею Понтекорво-Макі-Накагава-Саката (PMNS) (3,4 ,3). Ця тривимірна унітарна матриця змішування може бути параметризована трьома кутами змішування та складними фазами. З цих складних фаз осциляція нейтрино чутлива лише до однієї фази, яка називається 𝛿𝐶𝑃, і це єдине джерело CP-порушення в лептонному секторі. 𝛿𝐶𝑃 може приймати будь-яке значення в діапазоні -180° і 180°. Поки 𝛿𝐶𝑃=0,±180° означає, що нейтрино та антинейтрино поводяться однаково, а CP зберігається, 𝛿𝐶𝑃=±90° вказує на максимальне CP-порушення в лептон-секторі Стандартної моделі. Будь-яке проміжне значення свідчить про CP-порушення різного ступеня. Отже, вимірювання 𝛿𝐶𝑃 є однією з найважливіших цілей спільноти фізики нейтрино.
Вимірювання параметрів коливань
Нейтрино виробляються у великій кількості під час ядерних реакцій, як у Сонце, інших зірок і наднових. Вони також утворюються в атмосфері Землі внаслідок взаємодії космічних променів високої енергії з атомними ядрами. Щоб мати уявлення про потік нейтрино, щосекунди через нас проходить близько 100 трильйонів. Але ми навіть не усвідомлюємо цього, оскільки вони дуже слабо взаємодіють. Це робить вимірювання властивостей нейтрино під час експериментів з коливаннями нейтрино справді складною роботою!
Для вимірювання цих невловимих частинок детектори нейтрино є великими, мають кілотонни маси, а експерименти займають кілька років для досягнення статистично значущих результатів. Через їх слабку взаємодію вченим знадобилося близько 25 років, щоб виявити перше нейтрино експериментально після того, як Паулі постулював їх присутність у 1932 році, щоб пояснити збереження енергії-імпульсу при бета-розпаді ядер (показано на малюнку (5)).
Вчені виміряли всі три кути змішування з точністю понад 90% з достовірністю 99.73% (3𝜎) (6). Два кути змішування великі, щоб пояснити коливання сонячних і атмосферних нейтрино, третій кут (названий 𝜃13) є невеликим, оптимальне значення становить приблизно 8.6°, і було виміряно експериментально лише нещодавно в 2011 році в реакторному нейтринному експерименті Daya-Bay в Китаї. У матриці PMNS фаза 𝛿𝐶𝑃 з’являється лише в поєднанні sin𝜃13𝑒± 𝑖𝛿𝐶𝑃, проведення експериментального вимірювання 𝛿𝐶𝑃 трудність.
Параметр, який кількісно визначає кількість CP-порушень як у кварковому, так і в нейтрино-секторах, називається інваріантом Ярлскога 𝐽𝐶𝑃 (7), яка є функцією кутів змішування та фази, що порушує CP. Для кваркового сектора 𝐽𝐶𝑃~3×10-5 , тоді як для нейтрино-сектора 𝐽𝐶𝑃~0.033 sin𝛿𝐶𝑃, і, таким чином, може бути на три порядки більше, ніж 𝐽𝐶𝑃 у кварковому секторі, залежно від значення 𝛿𝐶𝑃.
Результат T2K – натяк на розгадку таємниці асиметрії матерія-антиматерія
У експерименті з осциляцією нейтрино з довгою базою T2K (Tokai-to-Kamioka в Японії) пучки нейтрино або антинейтрино генеруються в Японському дослідницькому комплексі протонних прискорювачів (J-PARC) і виявляються на детекторі Води-Черенкова в Супер-Каміоканде, пройшовши через Землю 295 км. Оскільки цей прискорювач може виробляти пучки будь-якого 𝜈𝜇 або його античастинку 𝜈̅𝜇, і детектор може виявити 𝜈𝜇,𝜈𝑒 та їхні античастинки 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, вони мають результати чотирьох різних процесів коливань і можуть виконувати аналіз, щоб отримати ефективні межі параметрів коливань. Однак фаза порушення CP 𝛿𝐶𝑃 з’являється лише в процесі, коли нейтрино змінюють смак, тобто в коливаннях 𝜈𝜇→𝜈𝑒 і 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – будь-яка різниця в цих двох процесах означатиме CP-порушення в лептонному секторі.
У нещодавньому повідомленні, співпраця T2K повідомила про цікаві межі CP-порушення в нейтринному секторі, аналізуючи дані, зібрані протягом 2009 та 2018 років (8). Цей новий результат виключив близько 42% усіх можливих значень 𝛿𝐶𝑃. Що ще важливіше, випадок, коли CP зберігається, був виключений з 95% достовірністю, і в той же час максимальне порушення CP, здається, є кращим у Природі.
У галузі фізики високих енергій впевненість 5𝜎 (тобто 99.999%) необхідна для заяви про нове відкриття, тому необхідні експерименти наступного покоління, щоб отримати достатню статистику та вищу точність для виявлення фази, що порушує CP. Однак останній результат T2K є значним кроком у напрямку нашого розуміння асиметрії матерія-антиматерія Всесвіт через CP-порушення в нейтринному секторі, вперше.
***
Список використаної літератури:
1. Сахаров, Андрій Д., 1991. «Порушення CP-інваріантності, C-асиметрії та баріонної асиметрії Всесвіту». Успехи радянської фізики, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Вступ до лептогенезу та властивостей нейтрино. Сучасна фізика Том 53, 2012 – Випуск 4 Сторінки 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Макі З., Накагава М. та Саката С., 1962. Зауваження щодо уніфікованої моделі елементарних частинок. Прогрес теоретичної фізики, том 28, випуск 5, листопад 1962 р., сторінки 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Понтекорво Б., 1958. ОБРАТНІ БЕТА-ПРОЦЕСИ І НЕ ЗБЕРЕЖЕННЯ ЗАРЯДУ ЛЕПТОНУ. Журнал експериментальної і теоретичної фізики (СРСР) 34, 247-249 (січень, 1958). Доступний онлайн http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Доступ 23 квітня 2020 року.
5. Inductiveload, 2007. Бета-мінус розпад. [зображення онлайн] Доступно за адресою https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Доступ 23 квітня 2020 року.
6. Танабаші М. та ін. (Particle Data Group), 2018. Маси нейтрино, змішування та коливання, фіз. Версія D98, 030001 (2018) та оновлення 2019 року. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Respons. фіз. Преподобний Летт. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Обмеження на фазу, яка порушує симетрію речовина-антиматерія в коливаннях нейтрино. Природа том 580, сторінки 339–344 (2020). Опубліковано: 15 квітня 2020 р. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
