T2K, доўгая базавая лінія нейтрына вагальны эксперымент у Японіі, нядаўна паведамілі аб назіранні, дзе яны выявілі важкія доказы розніцы паміж фундаментальнымі фізічнымі ўласцівасцямі нейтрына і адпаведнага аналага антыматэрыі, антынейтрына. Гэта назіранне намякае на тлумачэнне адной з самых вялікіх таямніц навукі - тлумачэнне дамінавання пытанне ў Сусвет над антыматэрыяй і, такім чынам, над нашым існаваннем.
,en пытанне-асіметрыя антырэчыва Сусвет
Згодна з тэорыяй касмалогіі, часціцы і іх антычасціцы ўтвараліся парамі з выпраменьвання падчас Вялікага выбуху. Антычасціцы - гэта антыматэрыі, якія маюць амаль такія ж фізічныя ўласцівасці, як і іх пытанне аналагі, г.зн. Аднак, ст Сусвет існуе і складаецца толькі з матэрыі, паказвае на тое, што некаторая сіметрыя матэрыя-антыматэрыя была парушана падчас Вялікага выбуху, з-за чаго пары не змаглі цалкам анігіляваць, зноў ствараючы выпраменьванне. Фізікі ўсё яшчэ шукаюць прыкметы парушэння CP-сіметрыі, што, у сваю чаргу, можа растлумачыць парушаную сіметрыю матэрыя-антыматэрыя ў пачатку Сусвет.
CP-сіметрыя з'яўляецца прадуктам дзвюх розных сіметрый - спалучэння зарада (C) і змены цотнасці (P). Зарадавае спалучэнне C пры нанясенні на зараджаную часціцу змяняе знак яе зарада, таму станоўча зараджаная часціца становіцца адмоўна зараджанай і наадварот. Нейтральныя часціцы застаюцца нязменнымі пад дзеяннем C. Сіметрыя звароту цотнасці змяняе прасторавыя каардынаты часціцы, на якую яна дзейнічае, - таму правая часціца становіцца левай, падобна таму, што адбываецца, калі чалавек стаіць перад люстэркам. Нарэшце, калі CP дзейнічае на правую адмоўна зараджаную часціцу, яна ператвараецца ў левую станоўча зараджаную, якая з'яўляецца антычасціцай. Такім чынам пытанне і антыматэрыя звязаны адзін з адным праз CP-сіметрыю. Такім чынам, CP павінна быць парушана, каб стварыць назіранае асіметрыя рэчыва-антыматэрыя, на што ўпершыню ўказаў Сахараў у 1967 г. (1).
Паколькі гравітацыйныя, электрамагнітныя, а таксама моцныя ўзаемадзеянні з'яўляюцца інварыянтнымі пры CP-сіметрыі, адзінае месца, дзе можна шукаць парушэнне CP у прыродзе, - гэта кваркі і/або лептоны, якія ўзаемадзейнічаюць праз слабое ўзаемадзеянне. Дагэтуль CP-парушэнне вымяралася эксперыментальна ў кваркавым сектары, аднак яно занадта малое, каб стварыць меркаваную асіметрыю Сусвет. Такім чынам, разуменне CP-парушэння ў лептонным сектары ўяўляе асаблівую цікавасць для фізікаў, каб зразумець існаванне Сусвет. CP-парушэнне ў лептонным сектары можа быць выкарыстана для тлумачэння асіметрыі рэчыва-антыматэрыі праз працэс, які называецца лептагенез (2).
Чаму нейтрына важныя?
нейтрына з'яўляюцца драбнюткімі, масіўнымі часцінкамі прыроды з нулявым электрычным зарадам. Будучы электрычна нейтральным, нейтрына не могуць мець электрамагнітнага ўзаемадзеяння, і яны таксама не маюць моцнага ўзаемадзеяння. Нейтрына маюць маленечкія масы парадку 0.1 эВ (~ 2 × 10-37кг), такім чынам, гравітацыйнае ўзаемадзеянне таксама вельмі слабое. Адзіны шлях нейтрына могуць узаемадзейнічаць з іншымі часціцамі за кошт слабых узаемадзеянняў на кароткіх адлегласцях.
Гэта слаба ўзаемадзейнічае ўласцівасць нейтрына, аднак, робіць іх цікавым зондам для вывучэння далёкіх астрафізічных аб'ектаў. У той час як нават фатоны могуць зацямняцца, рассейвацца і рассейвацца пылам, часціцамі газу і фонавым выпраменьваннем, якія прысутнічаюць у міжзоркавым асяроддзі, нейтрына можа прайсці практычна бесперашкодна і дасягнуць зямных дэтэктараў. У цяперашнім кантэксце, будучы слаба ўзаемадзейнічаючым, нейтрына-сектар можа быць жыццяздольным кандыдатам унесці свой уклад у парушэнне СР.
Ваганне нейтрына і CP-парушэнне
Ёсць тры тыпы нейтрына (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 і 𝜈𝜏 – адзін, звязаны з кожным лептонам, араматызуе электрон (e), мюон (𝜇) і тау (𝜏). Нейтрына ўтвараюцца і выяўляюцца ў выглядзе ўласных смакавых станаў праз слабыя ўзаемадзеянні ў сувязі з зараджаным лептонам адпаведнага густу, у той час як яны распаўсюджваюцца ў выглядзе станаў з пэўнай масай, званых уласнымі масавымі станамі. Такім чынам, пучок нейтрына з пэўным густам у крыніцы становіцца сумессю ўсіх трох розных густаў у пункце выяўлення пасля падарожжа па некаторай даўжыні шляху - доля розных станаў густу залежыць ад параметраў сістэмы. Гэта з'ява вядома як ваганне нейтрына, што робіць гэтыя малюсенькія часціцы вельмі асаблівымі!
Тэарэтычна, кожнае з уласных станаў водару нейтрына можа быць выяўлена як лінейная камбінацыя ўсіх трох масавых уласных станаў і наадварот, а змешванне можа быць апісана ўнітарнай матрыцай, якая называецца матрыцай Понтэкорва-Макі-Накагава-Саката (PMNS) (3,4 ,3). Гэтая XNUMX-мерная унітарная матрыца змешвання можа быць параметрізавана трыма вугламі змешвання і складанымі фазамі. З гэтых складаных фаз ваганні нейтрына адчувальныя толькі да адной фазы, названай 𝛿𝐶𝑃, і гэта ўнікальная крыніца CP-парушэнняў у лептонным сектары. 𝛿𝐶𝑃 можа прымаць любое значэнне ў дыяпазоне -180° і 180°. Пакуль 𝛿𝐶𝑃=0,±180° азначае, што нейтрына і антынейтрына паводзяць сябе ідэнтычна і CP захоўваецца, 𝛿𝐶𝑃=±90° паказвае на максімальнае CP-парушэнне ў лептонным сектары стандартнай мадэлі. Любое прамежкавае значэнне сведчыць аб CP-парушэнні рознай ступені. Такім чынам, вымярэнне 𝛿𝐶𝑃 з'яўляецца адной з найважнейшых мэтаў супольнасці фізікі нейтрына.
Вымярэнне параметраў ваганняў
Нейтрына ўтвараюцца ў вялікай колькасці падчас ядзерных рэакцый, як у Сонца, іншых зорак і звышновых. Яны таксама ўтвараюцца ў атмасферы Зямлі пры ўзаемадзеянні касмічных прамянёў высокай энергіі з атамнымі ядрамі. Каб мець уяўленне пра паток нейтрына, кожную секунду праз нас праходзіць каля 100 трыльёнаў. Але мы гэтага нават не разумеем, бо яны вельмі слаба ўзаемадзейнічаюць. Гэта робіць вымярэнне уласцівасцяў нейтрына падчас эксперыментаў з ваганнямі нейтрына сапраўды складанай працай!
Для вымярэння гэтых няўлоўных часціц дэтэктары нейтрына вялікія, з кілатонамі масы, а эксперыменты займаюць некалькі гадоў для дасягнення статыстычна значных вынікаў. З-за іх слабых узаемадзеянняў навукоўцам спатрэбілася каля 25 гадоў, каб выявіць першае нейтрына эксперыментальна пасля таго, як Паўлі пастуляваў іх прысутнасць у 1932 годзе, каб растлумачыць захаванне энергіі-імпульсу пры бэта-распадзе (паказана на малюнку (5)).
Навукоўцы вымерылі ўсе тры вуглы змешвання з дакладнасцю больш за 90% з упэўненасцю 99.73% (3𝜎) (6). Два вуглы змешвання вялікія, каб растлумачыць ваганні сонечных і атмасферных нейтрына, трэці кут (названы 𝜃13) з'яўляецца невялікім, найлепшым значэннем складае прыкладна 8.6°, і быў вымераны эксперыментальна толькі нядаўна ў 2011 годзе ў рэактары нейтрына эксперымент Дая-Бэй у Кітаі. У матрыцы PMNS фаза 𝛿𝐶𝑃 сустракаецца толькі ў спалучэнні sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, правядзенне эксперыментальнага вымярэння 𝛿𝐶𝑃 цяжкасць.
Параметр, які вызначае колькасць CP-парушэнняў як у кварках, так і ў нейтрына-сектарах, называецца інварыянтам Ярлскога 𝐽𝐶𝑃 (7), якая з'яўляецца функцыяй змешвання вуглоў і CP-парушальнай фазы. Для кварк-сектара 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , а для нейтрына-сектара 𝐽𝐶𝑃~0.033 сін𝛿𝐶𝑃, і, такім чынам, можа быць да трох парадкаў больш, чым 𝐽𝐶𝑃 у кварк-сектары, у залежнасці ад значэння 𝛿𝐶𝑃.
Вынік T2K - намёк на разгадку таямніцы асіметрыі матэрыі і антыматэрыі
У эксперыменце ваганняў нейтрына з доўгай базай T2K (Tokai-to-Kamioka ў Японіі) пучкі нейтрына або антынейтрына генеруюцца ў Японскім навукова-даследчым комплексе пратонных паскаральнікаў (J-PARC) і выяўляюцца на дэтэктары Вада-Церэнкава ў Супер-Каміокандэ, пасля падарожжа праз Зямлю 295 км. Паколькі гэты паскаральнік можа вырабляць пучкі любога 𝜈𝜇 або яго антычасціцы 𝜈̅𝜇, і дэтэктар можа выявіць 𝜈𝜇,𝜈𝑒 і іх антычасціцы 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, яны маюць вынікі чатырох розных працэсаў ваганняў і могуць выконваць аналіз, каб атрымаць эфектыўныя межы параметраў ваганняў. Аднак фаза з парушэннем CP 𝛿𝐶𝑃 з'яўляецца толькі ў працэсе, калі нейтрына змяняюць смак, гэта значыць у ваганнях 𝜈𝜇→𝜈𝑒 і 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - любое адрозненне ў гэтых двух працэсах будзе азначаць CP-парушэнне ў лептонным сектары.
У нядаўнім паведамленні супрацоўніцтва T2K паведаміла пра цікавыя межы CP-парушэнні ў нейтрынным сектары, аналізуючы дадзеныя, сабраныя на працягу 2009 і 2018 гадоў (8). Гэты новы вынік выключыў каля 42% усіх магчымых значэнняў 𝛿𝐶𝑃. Што яшчэ больш важна, выпадак, калі CP захоўваецца, быў выключаны з упэўненасцю 95%, і ў той жа час максімальнае парушэнне CP, здаецца, аддаецца перавагам у прыродзе.
У галіне фізікі высокіх энергій упэўненасць 5𝜎 (г.зн. 99.999%) патрабуецца для заявы аб новым адкрыцці, таму эксперыменты наступнага пакалення патрабуюцца для атрымання дастатковай статыстыкі і больш высокай дакладнасці для выяўлення фазы, якая парушае CP. Аднак нядаўні вынік T2K з'яўляецца значным развіццём нашага разумення асіметрыі матэрыя-антыматэрыя Сусвет праз CP-парушэнне ў сектары нейтрына, упершыню.
***
Спасылкі:
1. Сахараў, Андрэй Д., 1991. «Парушэнне CP-інварыянтнасці, C-асіметрыі і барыённай асіметрыі Сусвету». Савецкая фізіка Успехі, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Увядзенне ў лептагенез і ўласцівасці нейтрына. Сучасная фізіка Том 53, 2012 – Выпуск 4 Старонкі 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Макі З., Накагава М. і Саката С., 1962. Заўвагі да адзінай мадэлі элементарных часціц. Прагрэс тэарэтычнай фізікі, том 28, выпуск 5, лістапад 1962 г., старонкі 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. Зваротныя бэта-працэсы і незахаванне лептонавага зараду. Часопіс эксперыментальнай і тэарэтычнай фізікі (СССР) 34, 247-249 (студзень, 1958). Даступны ў Інтэрнэце http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Доступ 23 красавіка 2020 г.
5. Inductiveload, 2007. Бэта-мінус Распад. [Выява ў Інтэрнэце] Даступна па адрасе https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Праверана 23 красавіка 2020 г.
6. Танабаши М. і інш. (Particle Data Group), 2018. Масы нейтрына, змешванне і ваганні, фіз. Rev. D98, 030001 (2018) і абнаўленне 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog адказвае. фіз. Вялебны Лет. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Абмежаванне на фазу, якая парушае сіметрыю рэчыва-антыматэрыя ў ваганнях нейтрына. Прырода том 580, с.339–344(2020). Апублікавана: 15 красавіка 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
