სამყაროს მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრიის საიდუმლოს გამოვლენა ნეიტრინოს რხევის ექსპერიმენტებით

T2K, გრძელი საბაზისო ხაზი ნეიტრინო რხევის ექსპერიმენტი იაპონიაში, ახლახანს გავრცელდა დაკვირვება, სადაც მათ აღმოაჩინეს ძლიერი მტკიცებულება განსხვავება ფუნდამენტურ ფიზიკურ თვისებებს შორის. neutrinos და შესაბამისი ანტიმატერიის, ანტინეიტრინოების. ეს დაკვირვება მიანიშნებს მეცნიერების ერთ-ერთი უდიდესი საიდუმლოს ახსნაზე - დომინირების ახსნაზე მნიშვნელობა იმ სამყარო ანტიმატერიაზე და, შესაბამისად, ჩვენს არსებობაზე.

ის მნიშვნელობა- ანტიმატერიის ასიმეტრია სამყარო

კოსმოლოგიის თეორიის მიხედვით, დიდი აფეთქების დროს ნაწილაკები და მათი ანტინაწილაკები გამოსხივებისგან წყვილ-წყვილად წარმოიქმნა. ანტინაწილაკები არის ანტიმატერიები, რომლებსაც აქვთ თითქმის იგივე ფიზიკური თვისებები, რაც მათ მნიშვნელობა კოლეგები ანუ ნაწილაკები, გარდა ელექტრული მუხტისა და მაგნიტური თვისებებისა, რომლებიც შებრუნებულია. თუმცა, სამყარო არსებობს და შედგება მხოლოდ მატერიისგან, მიუთითებს იმაზე, რომ მატერია-ანტიმატერიის გარკვეული სიმეტრია დაირღვა დიდი აფეთქების მსვლელობისას, რის გამოც წყვილებმა ვერ გაანადგურეს სრულად წარმოქმნილი რადიაცია. ფიზიკოსები ჯერ კიდევ ეძებენ CP-სიმეტრიის დარღვევის ხელმოწერებს, რაც თავის მხრივ შეუძლია ახსნას მატერია-ანტიმატერიის გატეხილი სიმეტრია ადრეულ პერიოდში. სამყარო.

CP-სიმეტრია არის ორი განსხვავებული სიმეტრიის პროდუქტი - მუხტი-კონიუგაცია (C) და პარიტეტული შებრუნება (P). მუხტი-კონიუგაცია C დამუხტულ ნაწილაკზე გამოყენებისას ცვლის მისი მუხტის ნიშანს, ამიტომ დადებითად დამუხტული ნაწილაკი ხდება უარყოფითად დამუხტული და პირიქით. ნეიტრალური ნაწილაკები უცვლელი რჩება C-ის მოქმედებით. პარიტეტულ-უკუქცევის სიმეტრია ცვლის ნაწილაკების სივრცულ კოორდინატებს, რომლებზეც ის მოქმედებს - ასე რომ, მემარჯვენე ნაწილაკი ხდება მემარცხენე, რაც ხდება სარკის წინ დგომისას. და ბოლოს, როდესაც CP მოქმედებს მემარჯვენე უარყოფითად დამუხტულ ნაწილაკზე, ის გარდაიქმნება მარცხენა დადებითად დამუხტულ ნაწილაკად, რომელიც არის ანტინაწილაკი. ამგვარად მნიშვნელობა და ანტიმატერია დაკავშირებულია ერთმანეთთან CP-სიმეტრიის საშუალებით. მაშასადამე, CP უნდა დაირღვეს დაკვირვების გენერირების მიზნით მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრია, რაზეც პირველად მიუთითა სახაროვმა 1967 წელს (1).

ვინაიდან გრავიტაციული, ელექტრომაგნიტური და ასევე ძლიერი ურთიერთქმედებები CP-სიმეტრიის პირობებში უცვლელია, ბუნებაში CP-დარღვევის მოსაძებნად ერთადერთი ადგილია კვარკების და/ან ლეპტონების შემთხვევაში, რომლებიც ურთიერთქმედებენ სუსტი ურთიერთქმედებით. აქამდე, CP- დარღვევა ექსპერიმენტულად გაზომილი იყო კვარკ-სექტორში, თუმცა, ის ძალიან მცირეა ასიმეტრიის სავარაუდო ფორმირებისთვის. სამყარო. ამიტომ ლეპტონის სექტორში CP-დარღვევის გაგება განსაკუთრებით საინტერესოა ფიზიკოსებისთვის, რათა გაიგონ სამყარო. CP- დარღვევა ლეპტონ-სექტორში შეიძლება გამოყენებულ იქნას მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრიის ასახსნელად პროცესის მეშვეობით, რომელსაც ეწოდება ლეპტოგენეზი (2).

რატომ არის ნეიტრინო მნიშვნელოვანი?

neutrinos არის ბუნების ყველაზე პატარა, მასიური ნაწილაკები ნულოვანი ელექტრული მუხტით. ელექტრულად ნეიტრალურია, neutrinos არ შეიძლება ჰქონდეს ელექტრომაგნიტური ურთიერთქმედება და არც მათ აქვთ ძლიერი ურთიერთქმედება. ნეიტრინოებს აქვთ 0.1 ევ რიგის მცირე მასები (~ 2 × 10-³⁷კგ), შესაბამისად გრავიტაციული ურთიერთქმედება ასევე ძალიან სუსტია. Ერთადერთი გზა neutrinos შეუძლია სხვა ნაწილაკებთან ურთიერთქმედება მოკლე დიაპაზონის სუსტი ურთიერთქმედებით.

ეს სუსტად ურთიერთქმედების თვისებაა neutrinosთუმცა, მათ საინტერესო ზონდს აქცევს შორეული ასტროფიზიკური ობიექტების შესასწავლად. მიუხედავად იმისა, რომ ფოტონებიც კი შეიძლება იყოს დაფარული, გაფანტული და მიმოფანტული მტვრის, გაზის ნაწილაკებისა და ვარსკვლავთშორისი გარემოში არსებული ფონის გამოსხივებით, neutrinos შეუძლია ძირითადად დაუბრკოლებლად გაიაროს და მიაღწიოს დედამიწაზე დაფუძნებულ დეტექტორებს. ამჟამინდელ კონტექსტში, სუსტად ურთიერთქმედებით, ნეიტრინო-სექტორი შეიძლება იყოს სიცოცხლისუნარიანი კანდიდატი, რათა ხელი შეუწყოს CP-დარღვევას.

ნეიტრინოს რხევა და CP- დარღვევა

არსებობს სამი სახის ნეიტრინო (𝜈) – 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 და 𝜈_𝜏 - ერთი ასოცირდება თითოეულ ლეპტონთან ელექტრონის (e), მიონის (𝜇) და ტაუს (𝜏) არომატით. ნეიტრინოები წარმოიქმნება და აღმოჩენილია, როგორც გემოს საკუთრივ მდგომარეობები სუსტი ურთიერთქმედების შედეგად შესაბამისი გემოს დამუხტულ ლეპტონთან ასოციაციაში, ხოლო ისინი მრავლდებიან როგორც მდგომარეობები განსაზღვრული მასით, რომელსაც უწოდებენ მასის საკუთრივ მდგომარეობებს. ამგვარად, გარკვეული გემოს მქონე ნეიტრინოს სხივი წყაროში ხდება სამივე სხვადასხვა არომატის ნაზავი აღმოჩენის წერტილში გარკვეული ბილიკის სიგრძის გავლის შემდეგ - სხვადასხვა გემოს მდგომარეობის პროპორცია დამოკიდებულია სისტემის პარამეტრებზე. ეს ფენომენი ცნობილია როგორც ნეიტრინო რხევა, რაც ამ პაწაწინა ნაწილაკებს განსაკუთრებულს ხდის!

თეორიულად, თითოეული ნეიტრინოს გემოს-საკუთრივ მდგომარეობა შეიძლება გამოიხატოს სამივე მასობრივი საკუთრივ მდგომარეობების წრფივი კომბინაციით და პირიქით და შერევა შეიძლება აღწერილი იყოს უნიტარული მატრიცით, რომელსაც ეწოდება პონტეკორვო-მაკი-ნაკაგავა-საკატა (PMNS) მატრიცა (3,4). ,3). ეს XNUMX-განზომილებიანი უნიტარული შერევის მატრიცა შეიძლება იყოს პარამეტრიზებული სამი შერევის კუთხით და რთული ფაზებით. ამ რთული ფაზებიდან ნეიტრინოს რხევა მგრძნობიარეა მხოლოდ ერთი ფაზის მიმართ, სახელად 𝛿_𝐶𝑃და ეს არის CP-დარღვევის უნიკალური წყარო ლეპტონურ სექტორში. 🝛_𝐶𝑃 შეუძლია მიიღოს ნებისმიერი მნიშვნელობა −180° და 180° დიაპაზონში. სანამ 𝛿_𝐶𝑃=0,±180° ნიშნავს, რომ ნეიტრინოები და ანტინეიტრინოები ერთნაირად იქცევიან და CP შენარჩუნებულია, 𝛿_𝐶𝑃=±90° მიუთითებს CP-ის მაქსიმალურ დარღვევაზე სტანდარტული მოდელის ლეპტონურ სექტორში. ნებისმიერი შუალედური მნიშვნელობა მიუთითებს CP-დარღვევის სხვადასხვა ხარისხით. აქედან გამომდინარე, 𝛿-ის გაზომვა_𝐶𝑃 არის ნეიტრინო ფიზიკის საზოგადოების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მიზანი.

რხევის პარამეტრების გაზომვა

ნეიტრინოები უხვად წარმოიქმნება ბირთვული რეაქციების დროს, ისევე როგორც მზეში, სხვა ვარსკვლავებსა და სუპერნოვაებში. ისინი ასევე წარმოიქმნება დედამიწის ატმოსფეროში მაღალი ენერგიის კოსმოსური სხივების ატომურ ბირთვებთან ურთიერთქმედებით. ნეიტრინოს ნაკადის წარმოდგენა რომ გვქონდეს, ყოველ წამში დაახლოებით 100 ტრილიონი გადის ჩვენში. მაგრამ ჩვენ ვერც კი ვაცნობიერებთ ამას, რადგან ისინი ძალიან სუსტად ურთიერთობენ. ეს ხდის ნეიტრინოს თვისებების გაზომვას ნეიტრინოს რხევის ექსპერიმენტების დროს მართლაც რთულ სამუშაოდ!

ამ მიუწვდომელი ნაწილაკების გასაზომად, ნეიტრინოს დეტექტორები დიდია, აქვთ კილოტონა მასა და ექსპერიმენტებს რამდენიმე წელი სჭირდება სტატისტიკურად მნიშვნელოვანი შედეგების მისაღწევად. მათი სუსტი ურთიერთქმედების გამო, მეცნიერებს დაახლოებით 25 წელი დასჭირდათ პირველი ნეიტრინოს ექსპერიმენტულად აღმოსაჩენად მას შემდეგ, რაც პაულიმ გამოაცხადა მათი არსებობა 1932 წელს, რათა აეხსნა ენერგიის იმპულსის კონსერვაცია ბირთვულ ბეტა დაშლაში (ნაჩვენებია სურათზე (5)).

მეცნიერებმა გაზომეს სამივე შერევის კუთხე 90%-ზე მეტი სიზუსტით 99.73% (3𝜎) ნდობით (6). შერევის ორი კუთხე დიდია მზის და ატმოსფერული ნეიტრინოების რხევების ასახსნელად, მესამე კუთხე (სახელწოდებით 𝜃₁₃) არის პატარა, საუკეთესოდ მორგებული მნიშვნელობა არის დაახლოებით 8.6° და ექსპერიმენტულად გაზომეს მხოლოდ ახლახან, 2011 წელს, რეაქტორის ნეიტრინო ექსპერიმენტით Daya-Bay ჩინეთში. PMNS მატრიცაში, ფაზა 𝛿_𝐶𝑃 ჩნდება მხოლოდ კომბინაციაში sin𝜃₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} 𝛿-ის ექსპერიმენტული გაზომვის გაკეთება_𝐶𝑃 სირთულის.

პარამეტრს, რომელიც რაოდენობრივად განსაზღვრავს CP-დარღვევის რაოდენობას როგორც კვარკში, ასევე ნეიტრინო სექტორში, ეწოდება ჯარლსკოგის ინვარიანტს._𝐶𝑃 (7), რომელიც არის კუთხეების შერევისა და CP-დარღვევის ფაზის ფუნქცია. კვარკ-სექტორისთვის 𝐽_𝐶𝑃~ 3 10^-5 , ხოლო ნეიტრინო სექტორისთვის 𝐽_𝐶𝑃~0.033 ცოდვა_𝐶𝑃, და, ამრიგად, შეიძლება იყოს სამი რიგით სიდიდის მეტი ვიდრე 𝐽_𝐶𝑃 კვარკ-სექტორში, 𝛿-ის მნიშვნელობიდან გამომდინარე_𝐶𝑃.

შედეგი T2K-დან - მინიშნება მატერია-ანტიმატერიის ასიმეტრიის საიდუმლოს ამოხსნისკენ

ნეიტრინოს რხევის გრძელ საბაზისო ექსპერიმენტში T2K (იაპონიაში Tokai-to-Kamioka), ნეიტრინო ან ანტინეიტრინო სხივები წარმოიქმნება იაპონიის პროტონის ამაჩქარებლის კვლევის კომპლექსში (J-PARC) და აღმოჩენილია წყალ-ცერენკოვის დეტექტორზე სუპერ-კამიოკანდეში. დედამიწაზე 295 კმ მანძილის გავლის შემდეგ. ვინაიდან ამ ამაჩქარებელს შეუძლია აწარმოოს ორივე სხივი_𝜇 ან მისი ანტინაწილაკი 𝜈̅𝜇 და დეტექტორს შეუძლია აღმოაჩინოს 𝜈_𝜇,𝜈_𝑒 და მათი ანტინაწილაკები 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, მათ აქვთ ოთხი განსხვავებული რხევის პროცესის შედეგები და შეუძლიათ ანალიზის ჩატარება რხევის პარამეტრებზე ეფექტური საზღვრების მისაღებად. თუმცა, CP-დარღვევის ფაზა 𝛿_𝐶𝑃 ჩნდება მხოლოდ იმ პროცესში, როდესაც ნეიტრინოები ცვლიან გემოს, ანუ რხევებში 𝜈𝜇→𝜈𝑒 და 𝜈̅𝜇→𝜈̅

ბოლო კომუნიკაციაში, T2K კოლაბორაციამ აჩვენა საინტერესო საზღვრები CP-დარღვევის შესახებ ნეიტრინო სექტორში, 2009 და 2018 წლებში შეგროვებული მონაცემების ანალიზით (8). ამ ახალმა შედეგმა გამორიცხა 𝛿-ის ყველა შესაძლო მნიშვნელობის დაახლოებით 42%._𝐶𝑃. რაც მთავარია, CP-ის კონსერვაციის შემთხვევა გამორიცხულია 95%-იანი ნდობით და ამავე დროს, როგორც ჩანს, ბუნებაში უპირატესობა ენიჭება CP-ის მაქსიმალურ დარღვევას.

მაღალი ენერგიის ფიზიკის სფეროში, ახალი აღმოჩენის პრეტენზიისთვის საჭიროა 5❜ (ანუ 99.999%) ნდობა, ამიტომ შემდეგი თაობის ექსპერიმენტებია საჭირო საკმარისი სტატისტიკისა და მაღალი სიზუსტის მისაღებად CP-დარღვევის ფაზის აღმოსაჩენად. თუმცა T2K-ის ბოლო შედეგი არის მნიშვნელოვანი განვითარება მატერიისა და ანტიმატერიის ასიმეტრიის გაგებისთვის. სამყარო ნეიტრინო სექტორში CP-დარღვევის მეშვეობით, პირველად.

***

წყაროები:

1. სახაროვი, ანდრეი დ., 1991. ''სამყაროს CP ინვარიანტობის დარღვევა, C ასიმეტრია და ბარიონის ასიმეტრია''. საბჭოთა ფიზიკა უსპეხი, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. შესავალი ლეპტოგენეზისა და ნეიტრინო თვისებების შესახებ. თანამედროვე ფიზიკა ტომი 53, 2012 – გამოცემა 4 გვერდი 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. and Sakata S., 1962. შენიშვნები ელემენტარული ნაწილაკების ერთიან მოდელზე. თეორიული ფიზიკის პროგრესი, ტომი 28, გამოცემა 5, 1962 წლის ნოემბერი, გვერდები 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958 წ. შებრუნებული ბეტა პროცესები და ლეპტონის მუხტის არკონსერვაცია. ჟურნალი ექსპერიმენტული და თეორიული ფიზიკის (სსრკ) 34, 247-249 (იანვარი, 1958 წ.). ხელმისაწვდომია ონლაინ http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. ხელმისაწვდომია 23 წლის 2020 აპრილს.

5. ინდუქციური დატვირთვა, 2007. ბეტა-მინუს Decay. [სურათი ონლაინ] ხელმისაწვდომია https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. წვდომა 23 წლის 2020 აპრილს.

6. ტანაბაში მ., და სხვ. (ნაწილაკების მონაცემთა ჯგუფი), 2018. ნეიტრინო მასები, შერევა და რხევები, ფიზ. Rev. D98, 030001 (2018) და 2019 განახლება. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Responds. ფიზ. მეუფე ლეტ. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. T2K Collaboration, 2020. შეზღუდვა მატერიაზე – ანტიმატერიის სიმეტრიის დამრღვევი ფაზა ნეიტრინოს რხევებში. Nature ტომი 580, გვერდები339–344 (2020). გამოქვეყნებულია: 15 წლის 2020 აპრილი. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***