T2K, en lång baslinje neutrino oscillationsexperiment i Japan, har nyligen rapporterat en observation där de har upptäckt ett starkt bevis på en skillnad mellan fundamentala fysikaliska egenskaper hos neutriner och motsvarande antimateriamotsvarighet, antineutrinos. Denna observation antyder att förklara ett av vetenskapens största mysterier – en förklaring till dominansen av roll i Universum över antimateria, och därmed vår själva existens.
Smakämnen roll-antimateria asymmetri av Universum
Enligt teorin om kosmologi producerades partiklar och deras antipartiklar i par från strålning under Big-Bang. Antipartiklar är antimateria som har nästan samma fysikaliska egenskaper som deras roll motsvarigheter dvs partiklar, förutom elektrisk laddning och magnetiska egenskaper som är omvända. Men den Universum existerar och består av endast materia indikerar att viss materia-antimateria-symmetri bröts under Big-Bang, på grund av vilket paren inte kunde förinta helt och producera strålning igen. Fysiker letar fortfarande efter signaturer på CP-symmetribrott, vilket i sin tur kan förklara den trasiga materia-antimateria-symmetrin i början Universum.
CP-symmetri är produkten av två olika symmetrier – laddningskonjugering (C) och paritetsomkastning (P). Laddningskonjugation C när den appliceras på en laddad partikel ändrar dess laddnings tecken, så en positivt laddad partikel blir negativt laddad och vice versa. Neutrala partiklar förblir oförändrade under verkan av C. Paritets-omkastningssymmetri vänder de rumsliga koordinaterna för partikeln den verkar på – så en högerhänt partikel blir vänsterhänt, liknande vad som händer när man står framför en spegel. Slutligen, när CP verkar på en högerhänt negativt laddad partikel, omvandlas den till en vänsterhänt positivt laddad, som är antipartikeln. Således roll och antimateria är relaterade till varandra genom CP-symmetri. Därför måste CP ha brutits för att generera det observerade materia-antimateria asymmetri, som först påpekades av Sacharov 1967 (1).
Eftersom gravitationella, elektromagnetiska såväl som starka interaktioner är oföränderliga under CP-symmetri, är det enda stället att leta efter CP-kränkning i naturen i fallet med kvarkar och/eller leptoner, som interagerar genom svag interaktion. Hittills har CP-överträdelse uppmätts experimentellt i kvark-sektorn, men den är för liten för att generera den uppskattade asymmetrin för Universum. Därför är förståelsen av CP-kränkningen i leptonsektorn av särskilt intresse för fysikerna att förstå existensen av Universum. CP-kränkningen i lepton-sektorn kan användas för att förklara materia-antimateria-asymmetrin genom en process som kallas leptogenes (2).
Varför är neutrinerna viktiga?
neutriner är de minsta, massiva partiklarna i naturen med noll elektrisk laddning. Att vara elektriskt neutral, neutriner kan inte ha elektromagnetiska interaktioner, och de har inte heller starka interaktioner. Neutrinos har små massor av storleksordningen 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), därför är gravitationsinteraktionen också mycket svag. Det enda sättet neutriner kan interagera med andra partiklar är genom kortdistans svaga interaktioner.
Denna svagt interagerande egenskap hos neutriner, men gör dem till en intressant sond för att studera långt borta astrofysiska objekt. Även om fotoner kan skymmas, spridas och sprids av damm, gaspartiklar och bakgrundsstrålning som finns i det interstellära mediet, neutriner kan passera mestadels obehindrat och nå de jordbaserade detektorerna. I det nuvarande sammanhanget, eftersom den är svagt interagerande, kan neutrinosektorn vara en livskraftig kandidat för att bidra till CP-kränkningen.
Neutrinoscillation och CP-överträdelse
Det finns tre typer av neutriner (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 och 𝜈𝜏 – en associerad med varje leptonsmak elektron (e), muon (𝜇) och tau (𝜏). Neutrinos produceras och detekteras som smak-egenstater via svaga interaktioner i samband med den laddade leptonen med motsvarande smak, medan de fortplantar sig som tillstånd med bestämda massor, kallade mass-egenstater. Således blir en neutrinostråle med bestämd smak vid källan en blandning av alla tre olika smaker vid detektionspunkten efter att ha färdats genom någon väglängd - andelen olika smaktillstånd är beroende av parametrar i systemet. Detta fenomen är känt som neutrinoscillation, vilket gör dessa små partiklar mycket speciella!
Teoretiskt kan var och en av neutrinosmak-egenstaterna uttryckas som en linjär kombination av alla tre mass-egenstaterna och vice versa och blandningen kan beskrivas av en enhetlig matris som kallas Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matris (3,4 ,3). Denna XNUMX-dimensionella enhetliga blandningsmatris kan parametriseras av tre blandningsvinklar och komplexa faser. Av dessa komplexa faser är neutrinoscillation känslig för endast en fas, som heter 𝛿𝐶𝑃, och det är den unika källan till CP-kränkningar i leptonsektorn. 𝛿𝐶𝑃 kan ta vilket värde som helst inom intervallet −180° och 180°. Medan 𝛿𝐶𝑃=0,±180° betyder att neutriner och antineutriner beter sig identiskt och CP bevaras, 𝛿𝐶𝑃=±90° indikerar en maximal CP-överträdelse i lepton-sektorn i standardmodellen. Varje mellanvärde tyder på CP-brott i olika grader. Därav mätning av 𝛿𝐶𝑃 är ett av de viktigaste målen för neutrinofysikgemenskapen.
Mätning av oscillationsparametrar
Neutriner produceras i överflöd under kärnreaktioner, som de i solen, andra stjärnor och supernovor. De produceras också i jordens atmosfär genom växelverkan mellan de högenergiska kosmiska strålarna med atomkärnor. För att ha en uppfattning om neutrinoflödet passerar cirka 100 biljoner genom oss varje sekund. Men vi inser inte ens det eftersom de interagerar väldigt svagt. Detta gör mätningen av neutrinoegenskaper under neutrinoscillationsexperimenten till ett riktigt utmanande jobb!
För att mäta dessa svårfångade partiklar är neutrinodetektorer stora, har kilotons massa och experiment tar flera år för att uppnå statistiskt signifikanta resultat. På grund av deras svaga växelverkan tog det för forskarna cirka 25 år att upptäcka den första neutrinon experimentellt efter att Pauli postulerade deras närvaro 1932 för att förklara energi-momentumbevarandet i kärnkraftsbeta-sönderfall (visas i figur (5)).
Forskare har mätt alla tre blandningsvinklarna med mer än 90 % precision med 99.73 % (3𝜎) konfidens (6). Två av blandningsvinklarna är stora för att förklara oscillationerna hos sol- och atmosfäriska neutriner, den tredje vinkeln (som heter 𝜃13) är litet, det bästa värdet är cirka 8.6° och mättes experimentellt först 2011 av reaktorneutrinoexperimentet Daya-Bay i Kina. I PMNS-matrisen, fasen 𝛿𝐶𝑃 förekommer endast i kombinationen sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, göra experimentell mätning av 𝛿𝐶𝑃 svår.
Parametern som kvantifierar mängden CP-kränkning både i kvark- och neutrinosektorer kallas Jarlskog-invarianten 𝐽𝐶𝑃 (7), som är en funktion av blandningsvinklar och den CP-brytande fasen. För kvarg-sektorn 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , medan för neutrinosektorn 𝐽𝐶𝑃~0.033 synd𝛿𝐶𝑃, och kan därför vara upp till tre storleksordningar större än 𝐽𝐶𝑃 i kvark-sektorn, beroende på värdet av 𝛿𝐶𝑃.
Resultat från T2K – ett tips om att lösa mysteriet med materia-antimateria-asymmetri
I neutrinoscillationsexperimentet med lång baslinje T2K (Tokai-to-Kamioka i Japan) genereras neutrino- eller antineutrinostrålar vid Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) och detekteras vid Water-Cerenkov-detektorn vid Super-Kamiokande, efter att ha färdats 295 km genom jorden. Eftersom denna accelerator kan producera strålar av antingen 𝜈𝜇 eller dess antipartikel 𝜈̅𝜇, och detektorn kan detektera 𝜈𝜇,𝜈𝑒 och deras antipartiklar 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, de har resultat från fyra olika oscillationsprocesser och kan utföra analysen för att få effektiva gränser för oscillationsparametrarna. Däremot den CP-överträdande fasen 𝛿𝐶𝑃 dyker bara upp i processen när neutriner ändrar smak, dvs i svängningarna 𝜈𝜇→𝜈𝑒 och 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – varje skillnad i dessa två processer skulle innebära ett CP-brott i lepton-sektorn.
I en nyligen publicerad kommunikation har T2K-samarbetet rapporterat intressanta gränser för CP-kränkning i neutrinosektorn, genom att analysera data som samlats in under 2009 och 2018 (8). Detta nya resultat uteslöt cirka 42 % av alla möjliga värden på 𝛿𝐶𝑃. Ännu viktigare är att fallet när CP bevaras har uteslutits med 95% konfidens, och samtidigt verkar maximal CP-kränkning vara att föredra i naturen.
Inom området högenergifysik krävs ett 5𝜎 (dvs. 99.999%) förtroende för att göra anspråk på en ny upptäckt, därför krävs nästa generations experiment för att få tillräcklig statistik och högre precision för upptäckten av den CP-överträdande fasen. Men det senaste T2K-resultatet är en betydande utveckling mot vår förståelse av asymmetrin mellan materia och antimateria Universum genom CP-kränkningen i neutrinosektorn, för första gången.
***
Referenser:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''Brott mot CP-invarians, C-asymmetri och baryonasymmetri i universum''. Sovjetfysik Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. En introduktion till leptogenes och neutrinos egenskaper. Contemporary Physics Volym 53, 2012 – Utgåva 4 Sidor 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. och Sakata S., 1962. Anmärkningar om den enhetliga modellen av elementarpartiklar. Progress of Theoretical Physics, volym 28, nummer 5, november 1962, sid 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERSA BETA-PROCESSER OCH ICKE-BESVARING AV LEPTON-LADNING. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (januari 1958). Tillgänglig online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Tillträde den 23 april 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [bild online] Tillgänglig på https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Tillträde 23 april 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) och 2019 uppdatering. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog svarar. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Begränsning av den materia–antimateria symmetriöverträdande fasen i neutrinoscillationer. Naturvolym 580, sid 339–344(2020). Publicerad: 15 april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
