T2K, een neutrino-oscillatie-experiment met een lange basislijn in Japan, heeft onlangs een waarneming gerapporteerd waarbij ze een sterk bewijs hebben ontdekt van een verschil tussen fundamentele fysische eigenschappen van neutrino's en die van de overeenkomstige antimaterie-tegenhanger, anti-neutrino's. Deze observatie duidt op het verklaren van een van de grootste mysteries van de wetenschap: een verklaring voor de dominantie van de materie in de wereld Universum over antimaterie, en dus over ons bestaan.
De materie-antimaterie-asymmetrie van de Universum
Volgens de theorie van de kosmologie werden deeltjes en hun antideeltjes in paren geproduceerd door straling tijdens de oerknal. Antideeltjes zijn antimaterie met vrijwel dezelfde fysische eigenschappen als hun materie-tegenhangers, dat wil zeggen deeltjes, met uitzondering van de elektrische lading en magnetische eigenschappen die omgekeerd zijn. echter, de Universum bestaat en alleen uit materie bestaat, geeft aan dat er in de loop van de oerknal een bepaalde symmetrie tussen materie en antimaterie is verbroken, waardoor de paren niet volledig konden vernietigen en opnieuw straling konden produceren. Natuurkundigen zijn nog steeds op zoek naar tekenen van schending van de CP-symmetrie, die op hun beurt de gebroken materie-antimaterie-symmetrie in de vroege jaren kunnen verklaren. Universum.
CP-symmetrie is het product van twee verschillende symmetrieën - ladingsconjugatie (C) en pariteitsomkering (P). Wanneer ladingsconjugatie C op een geladen deeltje wordt toegepast, verandert het teken van zijn lading, dus een positief geladen deeltje wordt negatief geladen en vice versa. Neutrale deeltjes blijven onveranderd onder de werking van C. Pariteit-omkeringssymmetrie keert de ruimtelijke coördinaten van het deeltje waarop het inwerkt om - dus een rechtshandig deeltje wordt linkshandig, vergelijkbaar met wat er gebeurt als je voor een spiegel staat. Ten slotte, wanneer CP inwerkt op een rechtshandig negatief geladen deeltje, wordt het omgezet in een linkshandig positief geladen deeltje, wat het antideeltje is. Materie en antimaterie zijn dus aan elkaar gerelateerd via CP-symmetrie. Daarom moet CP zijn geschonden om de waargenomen materie-antimaterie asymmetrie, waar Sacharov in 1967 voor het eerst op wees (1).
Omdat zowel zwaartekracht-, elektromagnetische als sterke interacties invariant zijn onder CP-symmetrie, is de enige plaats waar we in de natuur naar CP-schendingen kunnen zoeken, het geval van quarks en/of leptonen, die interageren via zwakke interactie. Tot nu toe is CP-overtreding experimenteel gemeten in de quarksector, maar deze is te klein om de geschatte asymmetrie van de Universum. Daarom is het begrijpen van de CP-schending in de leptonsector van bijzonder belang voor natuurkundigen om het bestaan van de leptonsector te begrijpen. Universum. De CP-schending in de leptonsector kan worden gebruikt om de materie-antimaterie-asymmetrie te verklaren via een proces dat leptogenese wordt genoemd (2).
Waarom zijn de neutrino's belangrijk?
neutrino's zijn de kleinste, massieve deeltjes van de natuur zonder elektrische lading. Elektrisch neutraal zijn, neutrino's kunnen geen elektromagnetische interacties hebben, en ze hebben ook geen sterke interacties. Neutrino's hebben kleine massa's in de orde van 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), daarom is de zwaartekrachtinteractie ook erg zwak. De enige manier neutrino's kan interageren met andere deeltjes via zwakke interacties op korte afstand.
Deze zwak interacterende eigenschap van de neutrino'smaakt ze echter tot een interessant onderzoek om verre astrofysische objecten te bestuderen. Hoewel zelfs fotonen kunnen worden verduisterd, verspreid en verstrooid door stof, gasdeeltjes en achtergrondstraling die aanwezig zijn in het interstellaire medium, neutrino's kunnen grotendeels ongehinderd passeren en de op aarde gebaseerde detectoren bereiken. In de huidige context kan de neutrinosector, die zwak op elkaar inwerkt, een levensvatbare kandidaat zijn om bij te dragen aan de CP-schending.
Neutrino-oscillatie en CP-schending
Er zijn drie soorten neutrino's (𝜈) - 𝜈𝑒,𝜇 en𝜏 – één geassocieerd met elke lepton-smaak elektron (e), muon (𝜇) en tau (𝜏). Neutrino's worden geproduceerd en gedetecteerd als smaak-eigentoestanden via zwakke interacties in associatie met het geladen lepton van de overeenkomstige smaak, terwijl ze zich voortplanten als toestanden met een bepaalde massa, de zogenaamde massa-eigentoestanden. Zo wordt een neutrinobundel met een duidelijke smaak aan de bron een mengsel van alle drie de verschillende smaken op het detectiepunt, nadat hij een bepaalde padlengte heeft afgelegd – waarbij de verhouding van verschillende smaaktoestanden afhankelijk is van de parameters van het systeem. Dit fenomeen staat bekend als neutrino-oscillatie, wat deze kleine deeltjes heel bijzonder maakt!
Theoretisch kan elk van de neutrino-smaak-eigentoestanden worden uitgedrukt als een lineaire combinatie van alle drie de massa-eigentoestanden en vice versa, en de vermenging kan worden beschreven door een unitaire matrix genaamd Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrix (3,4 ,3). Deze XNUMX-dimensionale unitaire mengmatrix kan worden geparametriseerd door drie menghoeken en complexe fasen. Van deze complexe fasen is neutrino-oscillatie gevoelig voor slechts één fase, genaamd 𝛿𝐶𝑃, en het is de unieke bron van CP-schending in de leptonsector. δ𝐶𝑃 kan elke waarde aannemen in het bereik −180° en 180°. terwijl𝐶𝑃=0,±180° betekent dat neutrino's en antineutrino's zich identiek gedragen en dat CP behouden blijft, 𝛿𝐶𝑃=±90° geeft een maximale CP-overtreding aan in de lepton-sector van het Standaard Model. Elke tussenliggende waarde is indicatief voor CP-overtreding in verschillende gradaties. Vandaar meting van 𝛿𝐶𝑃 is een van de belangrijkste doelen van de neutrinofysica-gemeenschap.
Meting van oscillatieparameters
Neutrino's worden in overvloed geproduceerd tijdens kernreacties, zoals die in de zon, andere sterren en supernova's. Ze worden ook geproduceerd in de atmosfeer van de aarde door de interactie van de hoogenergetische kosmische straling met atoomkernen. Om een idee te hebben van de neutrinoflux, gaan er elke seconde ongeveer 100 biljoen door ons heen. Maar we beseffen het niet eens, omdat ze heel zwak met elkaar omgaan. Dit maakt het meten van neutrino-eigenschappen tijdens de neutrino-oscillatie-experimenten een hele uitdaging!
Om deze ongrijpbare deeltjes te meten, zijn neutrino-detectoren groot, met een massa van kilotons en experimenten nemen meerdere jaren in beslag om statistisch significante resultaten te bereiken. Vanwege hun zwakke interacties kostte het de wetenschappers ongeveer 25 jaar om het eerste neutrino experimenteel te detecteren nadat Pauli hun aanwezigheid in 1932 postuleerde om het behoud van energie-momentum in nucleair bètaverval te verklaren (getoond in de figuur (5)).
Wetenschappers hebben alle drie de menghoeken gemeten met een nauwkeurigheid van meer dan 90% bij een betrouwbaarheid van 99.73% (3𝜎) (6). Twee van de menghoeken zijn groot om de oscillaties van zonne- en atmosferische neutrino's te verklaren, de derde hoek (genaamd 𝜃13) is klein, de best passende waarde is ongeveer 8.6 °, en werd pas recentelijk in 2011 experimenteel gemeten door het reactorneutrino-experiment Daya-Bay in China. In de PMNS-matrix is de fase 𝛿𝐶𝑃 verschijnt alleen in de combinatie sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, experimentele meting maken van 𝛿𝐶𝑃 moeilijk.
De parameter die de hoeveelheid CP-schending kwantificeert, zowel in quark- als in neutrino-sectoren, wordt de Jarlskog-invariant genoemd.𝐶𝑃 (7), wat een functie is van de menghoeken en de CP-schendende fase. Voor de quark-sector 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , terwijl voor de neutrino-sector 𝐽𝐶𝑃~0.033 zonde𝛿𝐶𝑃, en kan dus tot drie ordes van grootte groter zijn dan 𝐽𝐶𝑃 in de quark-sector, afhankelijk van de waarde van 𝛿𝐶𝑃.
Resultaat van T2K - een hint naar het oplossen van het mysterie van de asymmetrie tussen materie en antimaterie
In het lange-baseline neutrino-oscillatie-experiment T2K (Tokai-to-Kamioka in Japan), worden neutrino- of antineutrino-bundels gegenereerd bij het Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) en gedetecteerd bij de Water-Cerenkov-detector bij Super-Kamiokande, na een reis van 295 km door de aarde. Aangezien deze versneller bundels kan produceren van𝜇 of zijn antideeltje 𝜈̅𝜇, en de detector kan 𝜈 . detecteren𝜇,𝑒 en hun antideeltjes 𝜈̅𝜇, , ze hebben resultaten van vier verschillende oscillatieprocessen en kunnen de analyse uitvoeren om efficiënte grenzen aan de oscillatieparameters te krijgen. Echter, de CP-schendende fase 𝛿𝐶𝑃 verschijnt alleen in het proces wanneer neutrino's van smaak veranderen, dwz in de oscillaties 𝜈𝜇→𝜈𝑒 en 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – elk verschil in deze twee processen zou een CP-schending in de leptonsector impliceren.
In een recente mededeling heeft de T2K-samenwerking interessante grenzen gerapporteerd over CP-schending in de neutrinosector, door de gegevens te analyseren die in 2009 en 2018 zijn verzameld (8). Dit nieuwe resultaat sloot ongeveer 42% van alle mogelijke waarden van 𝛿 . uit𝐶𝑃. Wat nog belangrijker is, het geval waarin CP behouden is, is uitgesloten met een betrouwbaarheid van 95%, en tegelijkertijd lijkt maximale CP-schending in de natuur de voorkeur te hebben.
Op het gebied van de hoge-energiefysica is een betrouwbaarheid van 5𝜎 (dat wil zeggen 99.999%) vereist voor het claimen van een nieuwe ontdekking. Daarom zijn experimenten van de volgende generatie nodig om voldoende statistieken en hogere nauwkeurigheid te verkrijgen voor de ontdekking van de CP-overtredende fase. Het recente T2K-resultaat is echter een belangrijke ontwikkeling in de richting van ons begrip van de materie-antimaterie-asymmetrie van de Universum door de CP-schending in de neutrinosector, voor het eerst.
***
Referenties:
1. Sacharov, Andrei D., 1991. ''Overtreding van CP-invariantie, C-asymmetrie en baryon-asymmetrie van het universum''. Sovjet-fysica Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Een inleiding tot leptogenese en neutrino-eigenschappen. Contemporary Physics Volume 53, 2012 - Nummer 4 pagina's 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. en Sakata S., 1962. Opmerkingen over het uniforme model van elementaire deeltjes. Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, november 1962, pagina's 870-880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERSE BTA-PROCESSEN EN NIET-CONSERVERING VAN LEPTON-LADING. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (januari 1958). Beschikbaar online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Betreden op 23 april 2020.
5. Inductieve belasting, 2007. Beta-minus verval. [afbeelding online] Verkrijgbaar bij https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Geraadpleegd op 23 april 2020.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino-massa's, mengen en trillingen, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) en 2019 update. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog reageert. Fys. ds. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. De T2K-samenwerking, 2020. Beperking op de materie-antimaterie-symmetrie-schendende fase in neutrino-oscillaties. Natuur volume 580, pagina's 339-344 (2020). Gepubliceerd: 15 april 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
