ADVERTENTIE

Onthulling van het mysterie van materie-antimaterie-asymmetrie van het heelal met neutrino-oscillatie-experimenten

WETENSCHAPPENFYSICAOnthulling van het mysterie van materie-antimaterie-asymmetrie van het heelal met neutrino-oscillatie-experimenten

T2K, een neutrino-oscillatie-experiment met een lange basislijn in Japan, heeft onlangs een waarneming gerapporteerd waarin ze een sterk bewijs hebben gevonden van een verschil tussen fundamentele fysieke eigenschappen van neutrino's en die van de overeenkomstige antimaterie-tegenhanger, anti-neutrino's. Deze observatie duidt op de verklaring van een van de grootste mysteries van de wetenschap - een verklaring voor de overheersing van materie in het heelal over antimaterie, en dus ons bestaan.

De materie-antimaterie asymmetrie van het heelal

Volgens de theorie van de kosmologie werden deeltjes en hun antideeltjes in paren geproduceerd door straling tijdens de oerknal. Antideeltjes zijn antimaterie met bijna dezelfde fysieke eigenschappen als hun materie-tegenhangers, dwz deeltjes, behalve elektrische lading en magnetische eigenschappen die omgekeerd zijn. Het heelal bestaat echter en bestaat alleen uit materie. Dit geeft aan dat er in de loop van de oerknal enige symmetrie tussen materie en antimaterie is verbroken, waardoor de paren de straling niet volledig konden vernietigen. Natuurkundigen zijn nog steeds op zoek naar tekenen van schending van de CP-symmetrie, wat op zijn beurt de gebroken materie-antimaterie-symmetrie in het vroege heelal kan verklaren.

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).

Aangezien zwaartekracht, elektromagnetische en sterke interacties invariant zijn onder CP-symmetrie, is de enige plaats om naar CP-schending in de natuur te zoeken in het geval van quarks en/of leptonen, die interageren via een zwakke interactie. Tot nu toe is CP-schending experimenteel gemeten in de quark-sector, maar deze is te klein om de geschatte asymmetrie van het heelal te genereren. Daarom is het voor natuurkundigen van bijzonder belang om de CP-schending in de leptonsector te begrijpen om het bestaan ​​van het heelal te begrijpen. De CP-schending in de leptonsector kan worden gebruikt om de asymmetrie tussen materie en antimaterie te verklaren door middel van 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. Omdat ze elektrisch neutraal zijn, kunnen neutrino's 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), vandaar dat de zwaartekrachtinteractie ook erg zwak is. De enige manier waarop neutrino's met andere deeltjes kunnen interageren, is door zwakke interacties op korte afstand.

Deze zwak op elkaar inwerkende eigenschap van de neutrino's maakt ze echter een interessante sonde om verre astrofysische objecten te bestuderen. Hoewel zelfs fotonen kunnen worden verduisterd, diffuus en verstrooid door stof, gasdeeltjes en achtergrondstraling die in het interstellaire medium aanwezig zijn, kunnen neutrino's grotendeels ongehinderd passeren en de op aarde gebaseerde detectoren bereiken. In de huidige context kan de neutrino-sector, aangezien deze een zwakke interactie heeft, 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 – een geassocieerd met elk lepton smaken 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 overeenkomstige smaak, terwijl ze zich voortplanten als toestanden met een bepaalde massa, massa-eigentoestanden genoemd. Zo wordt een neutrinostraal met een bepaalde smaak aan de bron een mengsel van alle drie de verschillende smaken op het detectiepunt na een traject over een bepaalde padlengte te hebben afgelegd - de verhouding van verschillende smaaktoestanden is afhankelijk van 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!

Neutrino-oscillatie-experimenten
Bron: Wikipedia (ref. 5)

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 hoge-energiefysica is een betrouwbaarheid van 5𝜎 (dwz 99.999%) vereist om een ​​nieuwe ontdekking te claimen, daarom zijn experimenten van de volgende generatie vereist om voldoende statistieken en hogere precisie te krijgen voor de ontdekking van de CP-schendende fase. Het recente T2K-resultaat is echter een significante ontwikkeling in de richting van ons begrip van de materie-antimaterie-asymmetrie van het heelal door de CP-schending in de neutrino-sector, voor de eerste keer.

***

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

***

Shamayita Ray PhD
Shamayita Ray PhD
Ruimtefysisch laboratorium, VSSC, Trivandrum, India.

Schrijf je in voor onze Nieuwsbrief!

Om op de hoogte te blijven van het laatste nieuws, aanbiedingen en speciale aankondigingen.

- Advertentie -

Meest populaire artikelen

"Moderatie" benadering van voeding vermindert gezondheidsrisico

Meerdere onderzoeken tonen aan dat een matige inname van verschillende diëten...

Tau: een nieuw eiwit dat kan helpen bij het ontwikkelen van gepersonaliseerde Alzheimer-therapie

Onderzoek heeft aangetoond dat een ander eiwit genaamd tau...
- Advertentie -
97,921FansLike
62,750volgersVolg
1,904volgersVolg
31abonneesInschrijven