T2K, një bazë e gjatë neutrino eksperimenti i lëkundjeve në Japoni, ka raportuar kohët e fundit një vëzhgim ku ata kanë zbuluar një dëshmi të fortë të një ndryshimi midis vetive fizike themelore të neutrinot dhe atë të homologut përkatës të antimateries, anti-neutrinot. Ky vëzhgim lë të kuptohet për shpjegimin e një prej mistereve më të mëdha të shkencës - një shpjegim për dominimin e çështje në Univers mbi antimaterien, dhe rrjedhimisht edhe vetë ekzistencën tonë.
La çështje-asimetria e antimateries së Univers
Sipas teorisë së Kozmologjisë, grimcat dhe antigrimcat e tyre u prodhuan në çifte nga rrezatimi gjatë Big-Bang. Antigrimcat janë antimateries që kanë pothuajse të njëjtat veti fizike si ato të tyre çështje homologët dmth grimcat, përveç ngarkesave elektrike dhe vetive magnetike që janë të kundërta. Megjithatë, të Univers ekziston dhe përbëhet vetëm nga materia, tregon se njëfarë simetrie lëndë-antimmaterë u prish gjatë rrjedhës së Big-Bang-ut, për shkak të së cilës çiftet nuk mund të asgjësonin plotësisht duke prodhuar përsëri rrezatim. Fizikanët janë ende në kërkim të nënshkrimeve të shkeljes së simetrisë CP, e cila nga ana tjetër mund të shpjegojë simetrinë e prishur lëndë-antimamteri në fillimet e hershme. Univers.
Simetria CP është produkt i dy simetrive të ndryshme - konjugimi i ngarkesës (C) dhe kthimi i barazisë (P). Konjugimi i ngarkesës C kur zbatohet në një grimcë të ngarkuar ndryshon shenjën e ngarkesës së saj, kështu që një grimcë e ngarkuar pozitivisht bëhet e ngarkuar negativisht dhe anasjelltas. Grimcat neutrale mbeten të pandryshuara nën veprimin e C. Simetria e kthimit të barazisë përmbys koordinatat hapësinore të grimcës mbi të cilën po vepron – kështu që një grimcë djathtas bëhet mëngjarashe, e ngjashme me atë që ndodh kur dikush qëndron përpara një pasqyre. Së fundi, kur CP vepron në një grimcë të ngarkuar negativisht me dorën e djathtë, ajo shndërrohet në një të majtë të ngarkuar pozitivisht, që është antigrimca. Kështu çështje dhe antimateria janë të lidhura me njëra-tjetrën nëpërmjet CP-simetrisë. Prandaj CP duhet të jetë shkelur për të gjeneruar të vëzhguarit asimetria materie-antimmateries, e cila u theksua për herë të parë nga Sakharov në 1967 (1).
Meqenëse ndërveprimet gravitacionale, elektromagnetike si dhe të forta janë të pandryshueshme nën simetrinë CP, i vetmi vend për të kërkuar shkeljen e CP në Natyrë është në rastin e kuarkeve dhe/ose leptoneve, që ndërveprojnë përmes ndërveprimit të dobët. Deri më tani, shkelja e CP-së është matur eksperimentalisht në sektorin e kuarkut, megjithatë, është shumë e vogël për të gjeneruar asimetrinë e vlerësuar të Univers. Prandaj të kuptuarit e shkeljes së CP në sektorin e leptonit është me interes të veçantë për fizikantët për të kuptuar ekzistencën e Univers. Shkelja e CP-së në sektorin e leptonit mund të përdoret për të shpjeguar asimetrinë materie-antimaterie përmes një procesi të quajtur leptogjenezë (2).
Pse janë të rëndësishme neutrinot?
neutrinot janë grimcat më të vogla, masive të Natyrës me ngarkesë elektrike zero. Duke qenë elektrikisht neutral, neutrinot nuk mund të kenë ndërveprime elektromagnetike dhe nuk kanë as ndërveprime të forta. Neutrinot kanë masa të vogla të rendit 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), prandaj ndërveprimi gravitacional është gjithashtu shumë i dobët. E vetmja mënyrë neutrinot mund të bashkëveprojë me grimcat e tjera është përmes ndërveprimeve të dobëta me rreze të shkurtër.
Kjo veti me ndërveprim të dobët të neutrinotMegjithatë, i bën ata një sondë interesante për të studiuar objekte astrofizike të largëta. Ndërsa edhe fotonet mund të errësohen, shpërndahen dhe shpërndahen nga pluhuri, grimcat e gazit dhe rrezatimet e sfondit të pranishëm në mjedisin ndëryjor, neutrinot mund të kalojë kryesisht pa pengesa dhe të arrijë te detektorët me bazë në Tokë. Në kontekstin aktual, duke qenë me bashkëveprim të dobët, sektori i neutrinove mund të jetë një kandidat i mundshëm për të kontribuar në shkeljen e CP.
Lëkundjet e neutrinës dhe shkelja e CP
Ekzistojnë tre lloje të neutrinos (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 dhe 𝜈𝜏 – një i lidhur me çdo lepton shijon elektron (e), muon (𝜇) dhe tau (𝜏). Neutrinot prodhohen dhe zbulohen si eigjenstate shije nëpërmjet ndërveprimeve të dobëta në lidhje me leptonin e ngarkuar të aromës përkatëse, ndërsa ato përhapen si gjendje me masa të përcaktuara, të quajtura eigenstates masë. Kështu, një rreze neutrino me shije të caktuar në burim bëhet një përzierje e të tre shijeve të ndryshme në pikën e zbulimit pasi udhëtojnë nëpër një farë shtegu - proporcioni i gjendjeve të ndryshme të shijes varet nga parametrat e sistemit. Ky fenomen njihet si lëkundja e neutrinos, gjë që i bën këto grimca të vogla shumë të veçanta!
Teorikisht, secila prej eigjenstateve të shijes së neutrinës mund të shprehet si një kombinim linear i të tre gjendjeve të masës dhe anasjelltas dhe përzierja mund të përshkruhet nga një matricë unitare e quajtur matrica Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Kjo matricë unitare XNUMX-dimensionale e përzierjes mund të parametrizohet nga tre kënde përzierjeje dhe faza komplekse. Nga këto faza komplekse, lëkundja e neutrinos është e ndjeshme vetëm ndaj një faze, të quajtur 𝛿𝐶𝑃, dhe është burimi unik i shkeljes së CP-së në sektorin e leptonit. 𝛿𝐶𝑃 mund të marrë çdo vlerë në rangun −180° dhe 180°. Ndërsa 𝛿𝐶𝑃=0,±180° do të thotë që neutrinot dhe antineutrinot sillen në mënyrë identike dhe CP është e ruajtur, 𝛿𝐶𝑃=±90° tregon një shkelje maksimale të CP në sektorin lepton të Modelit Standard. Çdo vlerë e ndërmjetme është tregues i shkeljes së CP-së në shkallë të ndryshme. Prandaj matja e 𝛿𝐶𝑃 është një nga qëllimet më të rëndësishme të komunitetit të fizikës së neutrinos.
Matja e parametrave të lëkundjeve
Neutrinot prodhohen me bollëk gjatë reaksioneve bërthamore, si ato në Diell, yje të tjerë dhe supernova. Ato prodhohen gjithashtu në atmosferën e Tokës nëpërmjet ndërveprimit të rrezeve kozmike me energji të lartë me bërthamat atomike. Për të pasur një ide të fluksit të neutrinos, rreth 100 trilionë kalojnë nëpër ne çdo sekondë. Por ne as që e kuptojmë këtë pasi ato ndërveprojnë shumë dobët. Kjo e bën matjen e vetive të neutrinos gjatë eksperimenteve të lëkundjes së neutrinos një punë vërtet sfiduese!
Për të matur këto grimca të pakapshme, detektorët e neutrinos janë të mëdhenj, kanë kilogramë-ton masë dhe eksperimenteve duhen disa vjet për të arritur rezultate statistikisht domethënëse. Për shkak të ndërveprimeve të tyre të dobëta, shkencëtarëve iu deshën rreth 25 vjet për të zbuluar neutrinën e parë eksperimentalisht pasi Pauli postuloi praninë e tyre në 1932 për të shpjeguar ruajtjen e momentit të energjisë në zbërthimin beta bërthamor (treguar në figurën (5)).
Shkencëtarët kanë matur të tre këndet e përzierjes me më shumë se 90% saktësi në 99.73% (3𝜎) besim (6). Dy nga këndet e përzierjes janë të mëdha për të shpjeguar lëkundjet e neutrineve diellore dhe atmosferike, këndi i tretë (i quajtur 𝜃13) është e vogël, vlera më e përshtatshme është afërsisht 8.6° dhe është matur eksperimentalisht vetëm kohët e fundit në 2011 nga eksperimenti i neutrinos së reaktorit Daya-Bay në Kinë. Në matricën PMNS, faza 𝛿𝐶𝑃 shfaqet vetëm në kombinim sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, duke bërë matjen eksperimentale të 𝛿𝐶𝑃 vështirë.
Parametri që përcakton sasinë e shkeljes së CP-së si në sektorët e kuarkut dhe të neutrino-s quhet invariant Jarlskog 𝐽𝐶𝑃 (7), i cili është një funksion i këndeve të përzierjes dhe fazës së shkeljes së CP. Për sektorin e kuarkut 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , ndërsa për sektorin e neutrinos 𝐽𝐶𝑃~0.033 mëkat𝛿𝐶𝑃, dhe kështu mund të jetë deri në tre rend të madhësisë më të madhe se 𝐽𝐶𝑃 në sektorin e kuarkut, në varësi të vlerës së 𝛿𝐶𝑃.
Rezultati nga T2K - një sugjerim drejt zgjidhjes së misterit të asimetrisë materies-antimmateries
Në eksperimentin e lëkundjes së neutrinos me vijë bazë të gjatë T2K (Tokai-to-Kamioka në Japoni), rrezet e neutrinos ose antineutrinos gjenerohen në Kompleksin Kërkimor të Përshpejtuesit të Protonit në Japoni (J-PARC) dhe zbulohen në detektorin Water-Cerenkov në Super-Kamiokande. pasi udhëtoi 295 km në distancë përmes Tokës. Meqenëse ky përshpejtues mund të prodhojë rreze të njërës prej 𝜈𝜇 ose antigrimca e saj 𝜈̅𝜇, dhe detektor mund të zbulojë 𝜈𝜇,𝜈𝑒 dhe antigrimcat e tyre 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, ata kanë rezultate nga katër procese të ndryshme lëkundjeje dhe mund të kryejnë analizën për të marrë kufijtë efikas të parametrave të lëkundjes. Megjithatë, faza e shkeljes së CP-së 𝛿𝐶𝑃 shfaqet vetëm në procesin kur neutrinot ndryshojnë shijet, p.sh. në lëkundjet 𝜈𝜇→
Në një komunikim të fundit, bashkëpunimi T2K ka raportuar kufij interesantë për shkeljen e CP-së në sektorin e neutrinove, duke analizuar të dhënat e mbledhura gjatë 2009 dhe 2018 (8). Ky rezultat i ri përjashtoi rreth 42% të të gjitha vlerave të mundshme të 𝛿𝐶𝑃. Më e rëndësishmja, rasti kur CP ruhet është përjashtuar me 95% besim, dhe në të njëjtën kohë shkelja maksimale e CP duket se preferohet në Natyrë.
Në fushën e fizikës me energji të lartë, kërkohet një besim 5𝜎 (dmth 99.999%) për të pretenduar një zbulim të ri, prandaj kërkohen eksperimente të gjeneratës së ardhshme për të marrë statistika të mjaftueshme dhe saktësi më të lartë për zbulimin e fazës së shkeljes së CP. Megjithatë, rezultati i fundit i T2K është një zhvillim domethënës drejt të kuptuarit tonë të asimetrisë lëndë-antimmaterë të Univers përmes shkeljes së CP-së në sektorin e neutrinos, për herë të parë.
***
Referencat:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''Shkelja e pandryshueshmërisë së CP, asimetria C dhe asimetria e barionit të universit''. Fizikë Sovjetike Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Një hyrje në leptogjenezën dhe vetitë e neutrinos. Fizika Bashkëkohore Vëllimi 53, 2012 – Numri 4 Faqe 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. dhe Sakata S., 1962. Vërejtje mbi modelin e unifikuar të grimcave elementare. Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, Nëntor 1962, Faqe 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. PROCESET BETA INVERSE DHE MOS RUAJTJA E NGARKESAVE LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (BRSS) 34, 247-249 (janar, 1958). E disponueshme në internet http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Arritur më 23 Prill 2020.
5. Ngarkesa induktive, 2007. Beta-minus Decay. [imazhi në linjë] E disponueshme në https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Qasur më 23 Prill 2020.
6. Tanabashi M., etj. (Grupi i të dhënave të grimcave), 2018. Masat e Neutrinos, Përzierja dhe Lëkundjet, Fiz. Rev. D98, 030001 (2018) dhe përditësim 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog përgjigjet. fiz. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. Bashkëpunimi T2K, 2020. Kufizimi në fazën e shkeljes së simetrisë së lëndës-antimmateries në lëkundjet e neutrinos. Vëllimi Natyra 580, faqe 339–344 (2020). Publikuar: 15 Prill 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
