T2K, isang long-baseline neutrino oscillation experiment sa Japan, kamakailan ay nag-ulat ng isang obserbasyon kung saan nakita nila ang isang malakas na ebidensya ng pagkakaiba sa pagitan ng mga pangunahing pisikal na katangian ng neutrinos at ng katumbas na katapat na antimatter, mga anti-neutrino. Ang pagmamasid na ito ay nagpapahiwatig sa pagpapaliwanag ng isa sa mga pinakamalaking misteryo ng agham - isang paliwanag para sa dominasyon ng mahalagahin nasa Sansinukob higit sa antimatter, at sa gayon ang ating mismong pag-iral.
Ang mahalagahin-antimatter asymmetry ng Sansinukob
Ayon sa teorya ng Cosmology, ang mga particle at ang kanilang mga antiparticle ay ginawa nang magkapares mula sa radiation sa panahon ng Big-Bang. Ang mga antiparticle ay mga antimatter na may halos parehong pisikal na katangian tulad ng kanilang mahalagahin mga katapat ie mga particle, maliban sa electric charge at magnetic properties na nababaligtad. Gayunpaman, ang Sansinukob Ang umiiral at binubuo lamang ng matter ay nagpapahiwatig na ang ilang matter-antimatter symmetry ay nasira sa panahon ng Big-Bang, dahil kung saan ang mga pares ay hindi maaaring ganap na puksain ang muling paggawa ng radiation. Naghahanap pa rin ang mga physicist ng mga lagda ng paglabag sa CP-symmetry, na maaaring ipaliwanag ang sirang matter-antimatter symmetry sa unang bahagi ng Sansinukob.
Ang CP-symmetry ay produkto ng dalawang magkaibang symmetry – charge-conjugation (C) at parity-reversal (P). Ang charge-conjugation C kapag inilapat sa isang charged-particle ay nagbabago ng sign ng charge nito, kaya ang positively charged particle ay nagiging negative-charged at vice-versa. Ang mga neutral na particle ay nananatiling hindi nagbabago sa ilalim ng pagkilos ng C. Ang parity-reversal symmetry ay binabaligtad ang mga spatial na coordinate ng particle na kinikilos nito - kaya ang isang kanang kamay na particle ay nagiging kaliwete, katulad ng kung ano ang nangyayari kapag ang isa ay nakatayo sa harap ng salamin. Sa wakas, kapag ang CP ay kumikilos sa isang kanang kamay na may negatibong sisingilin na particle, ito ay na-convert sa isang kaliwang kamay na positibong sisingilin, na siyang antiparticle. Sa gayon mahalagahin at antimatter ay nauugnay sa isa't isa sa pamamagitan ng CP-symmetry. Kaya dapat na nilabag ang CP upang makabuo ng naobserbahan bagay-antimatter asymmetry, na unang itinuro ni Sakharov noong 1967 (1).
Dahil ang gravitational, electromagnetic at pati na rin ang malalakas na pakikipag-ugnayan ay invariant sa ilalim ng CP-symmetry, ang tanging lugar upang hanapin ang CP-violation sa Kalikasan ay sa kaso ng mga quark at/o lepton, na nakikipag-ugnayan sa pamamagitan ng mahinang pakikipag-ugnayan. Hanggang ngayon, ang paglabag sa CP ay sinusukat nang eksperimental sa quark-sector, gayunpaman, ito ay masyadong maliit upang makabuo ng tinantyang kawalaan ng simetrya ng Sansinukob. Kaya ang pag-unawa sa CP-violation sa lepton-sector ay espesyal na interes ng Physicists na maunawaan ang pagkakaroon ng Sansinukob. Ang CP-violation sa lepton-sector ay maaaring gamitin upang ipaliwanag ang matter-antimatter asymmetry sa pamamagitan ng prosesong tinatawag na leptogenesis (2).
Bakit mahalaga ang mga neutrino?
neutrino ay ang pinakamaliit, napakalaking particle ng Kalikasan na may zero electric charge. Ang pagiging neutral sa kuryente, neutrinos hindi maaaring magkaroon ng mga electromagnetic na pakikipag-ugnayan, at wala rin silang malakas na pakikipag-ugnayan. Ang mga neutrino ay may maliliit na masa na may pagkakasunud-sunod na 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), kaya ang pakikipag-ugnayan ng gravitational ay napakahina din. Ang tanging paraan neutrinos maaaring makipag-ugnayan sa iba pang mga particle ay sa pamamagitan ng short-range na mahinang interaksyon.
Ang mahinang pakikipag-ugnayan na pag-aari na ito ng neutrinos, gayunpaman, ginagawa silang isang kawili-wiling pagsisiyasat upang pag-aralan ang malayong mga bagay na astropisiko. Bagama't kahit ang mga photon ay maaaring matakpan, ikalat at ikalat ng alikabok, mga particle ng gas at background radiation na nasa interstellar medium, neutrinos maaaring dumaan sa halos lahat ng hindi nahahadlangan at maabot ang mga detector na nakabatay sa Earth. Sa kasalukuyang konteksto, ang pagiging mahina ang pakikipag-ugnayan, ang neutrino-sector ay maaaring maging isang mabubuhay na kandidato upang mag-ambag sa paglabag sa CP.
Neutrino oscillation at CP-violation
May tatlong uri ng neutrino (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 at 𝜈𝜏 – isang nauugnay sa bawat lasa ng lepton na electron (e), muon (𝜇) at tau (𝜏). Ang mga neutrino ay ginawa at natukoy bilang mga flavour-eigenstate sa pamamagitan ng mahinang pakikipag-ugnayan kaugnay ng sinisingil na lepton ng katumbas na lasa, habang ang mga ito ay nagpapalaganap bilang mga estado na may tiyak na masa, na tinatawag na mass-eigenstates. Kaya ang isang neutrino beam ng tiyak na lasa sa pinagmulan ay nagiging pinaghalong lahat ng tatlong magkakaibang lasa sa punto ng pagtuklas pagkatapos maglakbay sa ilang path-length - ang proporsyon ng iba't ibang mga estado ng lasa ay nakasalalay sa mga parameter ng system. Ang phenomenon na ito ay kilala bilang neutrino oscillation, na ginagawang napakaespesyal ng maliliit na particle na ito!
Sa teorya, ang bawat isa sa neutrino flavour-eigenstates ay maaaring ipahayag bilang isang linear na kumbinasyon ng lahat ng tatlong mass-eigenstate at vice-versa at ang paghahalo ay maaaring ilarawan ng isang unitary matrix na tinatawag na Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrix (3,4 ,3). Ang XNUMX-dimensional na unitary mixing matrix na ito ay maaaring parametrize ng tatlong mga anggulo ng paghahalo at mga kumplikadong yugto. Sa mga kumplikadong yugtong ito, ang neutrino oscillation ay sensitibo sa isang yugto lamang, na pinangalanang 𝛿𝐶𝑃, at ito ang natatanging pinagmumulan ng CP-violation sa lepton-sector. 𝛿𝐶𝑃 maaaring tumagal ng anumang halaga sa hanay na −180° at 180°. Habang 𝛿𝐶𝑃=0,±180° ay nangangahulugan na ang mga neutrino at antineutrino ay kumikilos nang magkapareho at ang CP ay pinananatili, 𝛿𝐶𝑃Ang =±90° ay nagpapahiwatig ng maximum na CP-violation sa lepton-sector ng Standard Model. Ang anumang intermediate na halaga ay nagpapahiwatig ng paglabag sa CP sa iba't ibang antas. Kaya naman ang pagsukat ng 𝛿𝐶𝑃 ay isa sa pinakamahalagang layunin ng komunidad ng neutrino physics.
Pagsukat ng mga parameter ng oscillation
Ang mga neutrino ay nagagawa nang sagana sa panahon ng mga reaksyong nuklear, tulad ng sa Araw, iba pang mga bituin at supernovae. Ginagawa rin ang mga ito sa atmospera ng Earth sa pamamagitan ng interaksyon ng mga high-energy cosmic ray na may atomic nuclei. Upang magkaroon ng ideya ng neutrino flux, humigit-kumulang 100 trilyon ang dumadaan sa atin bawat segundo. Pero hindi namin namamalayan dahil mahina ang pakikisalamuha nila. Ginagawa nitong isang talagang mapaghamong trabaho ang pagsukat ng mga katangian ng neutrino sa panahon ng mga eksperimento sa neutrino oscillation!
Upang sukatin ang mga mailap na particle na ito, ang mga neutrino detector ay malalaki, na may kilo-toneladang masa at ang mga eksperimento ay tumatagal ng ilang taon upang makamit ang mga makabuluhang resulta sa istatistika. Dahil sa kanilang mahinang pakikipag-ugnayan, inabot ng mga siyentipiko ang tungkol sa 25 taon upang matuklasan ang unang neutrino sa eksperimento pagkatapos na i-postulate ni Pauli ang kanilang presensya noong 1932 upang ipaliwanag ang konserbasyon ng enerhiya-momentum sa nuclear beta decay (ipinapakita sa figure (5)).
Sinukat ng mga siyentipiko ang lahat ng tatlong anggulo ng paghahalo na may higit sa 90% katumpakan sa 99.73% (3𝜎) kumpiyansa (6). Malaki ang dalawa sa mga anggulo ng paghahalo upang ipaliwanag ang mga oscillations ng solar at atmospheric neutrino, ang ikatlong anggulo (pinangalanang 𝜃13) ay maliit, ang pinakaangkop na halaga ay humigit-kumulang 8.6°, at sinukat sa eksperimentong kamakailan lamang noong 2011 ng reactor neutrino experiment na Daya-Bay sa China. Sa PMNS matrix, ang phase 𝛿𝐶𝑃 lalabas lamang sa kumbinasyong sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, paggawa ng eksperimental na pagsukat ng 𝛿𝐶𝑃 mahirap.
Ang parameter na nagbibilang sa dami ng paglabag sa CP sa quark at neutrino-sector ay tinatawag na Jarlskog invariant 𝐽𝐶𝑃 (7), na isang function ng paghahalo ng mga anggulo at ang CP-violating phase. Para sa quark-sector 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , habang para sa neutrino-sector 𝐽𝐶𝑃~0.033 kasalanan𝛿𝐶𝑃, at sa gayon ay maaaring umabot ng hanggang tatlong order ng magnitude na mas malaki kaysa sa 𝐽𝐶𝑃 sa quark-sector, depende sa halaga ng 𝛿𝐶𝑃.
Resulta mula sa T2K – isang pahiwatig patungo sa paglutas ng misteryo ng matter-antimatter asymmetry
Sa long-baseline na neutrino oscillation experiment na T2K (Tokai-to-Kamioka sa Japan), ang mga neutrino o antineutrino beam ay nabuo sa Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) at nakita sa Water-Cerenkov detector sa Super-Kamiokande, pagkatapos maglakbay ng 295km na distansya sa pamamagitan ng Earth. Dahil ang accelerator na ito ay maaaring makagawa ng mga beam ng alinman sa 𝜈𝜇 o ang antiparticle nito 𝜈̅𝜇, at ang detector ay maaaring makakita ng 𝜈𝜇,𝜈𝑒 at ang kanilang mga antiparticle na 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, mayroon silang mga resulta mula sa apat na magkakaibang proseso ng oscillation at maaaring magsagawa ng pagsusuri upang makakuha ng mahusay na mga hangganan sa mga parameter ng oscillation. Gayunpaman, ang CP-violating phase 𝛿𝐶𝑃 lilitaw lamang sa proseso kapag ang mga neutrino ay nagbabago ng lasa ie sa mga oscillations 𝜈𝜇→𝜈𝑒 at 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – ang anumang pagkakaiba sa dalawang prosesong ito ay magpahiwatig ng CP-violation sa lepton-sector.
Sa isang kamakailang komunikasyon, ang pakikipagtulungan ng T2K ay nag-ulat ng mga kagiliw-giliw na hangganan sa paglabag sa CP sa sektor ng neutrino, na sinusuri ang data na nakolekta noong 2009 at 2018 (8). Inalis ng bagong resultang ito ang humigit-kumulang 42% ng lahat ng posibleng halaga ng 𝛿𝐶𝑃. Higit sa lahat, ang kaso kapag ang CP ay natipid ay pinasiyahan sa 95% na kumpiyansa, at sa parehong oras ang pinakamataas na paglabag sa CP ay tila mas gusto sa Kalikasan.
Sa larangan ng high-energy physics, kinakailangan ang 5𝜎 (ibig sabihin, 99.999%) kumpiyansa para sa pag-claim ng bagong pagtuklas, samakatuwid ang mga susunod na henerasyong eksperimento ay kinakailangan upang makakuha ng sapat na istatistika at mas mataas na katumpakan para sa pagtuklas ng yugto ng paglabag sa CP. Gayunpaman, ang kamakailang resulta ng T2K ay isang makabuluhang pag-unlad patungo sa aming pag-unawa sa bagay-antimatter asymmetry ng Sansinukob sa pamamagitan ng CP-violation sa neutrino-sector, sa unang pagkakataon.
***
Sanggunian:
1. Sakharov,Andrei D., 1991. ''Paglabag sa CP invariance, C asymmetry, at baryon asymmetry ng uniberso''. Soviet Physics Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Isang panimula sa leptogenesis at mga katangian ng neutrino. Contemporary Physics Tomo 53, 2012 – Isyu 4 Pahina 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. at Sakata S., 1962. Remarks on the unified model of elementary particles. Progress of Theoretical Physics, Tomo 28, Isyu 5, Nobyembre 1962, Mga Pahina 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERSE BETA PROCESSES AND NON-CONSERVATION OF LEPTON CHARGE. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (Enero, 1958). Makukuha ito online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Na-access noong 23 Abril 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [Larawan online] Magagamit sa https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Na-access noong Abril 23, 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) at 2019 update. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Tumugon si Jarlskog. Phys. Si Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. Ang T2K Collaboration, 2020. Constraint sa matter–antimatter symmetry-violating phase sa mga neutrino oscillations. Dami ng Kalikasan 580, mga pahina339–344(2020). Na-publish: 15 Abril 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
