T2K, երկար ելակետ նեյտրինո Ճապոնիայում տատանումների փորձը վերջերս զեկուցել է մի դիտարկում, որտեղ նրանք հայտնաբերել են հիմնական ֆիզիկական հատկությունների միջև տարբերության ուժեղ ապացույցներ: neutrinos և հակամատերային համապատասխան հականեյտրինոների: Այս դիտարկումը հուշում է բացատրել գիտության ամենամեծ առեղծվածներից մեկը՝ բացատրությունը գերակայության համար բան է Տիեզերք հակամատերիայի, և, հետևաբար, մեր գոյության նկատմամբ:
The բան- հականյութերի անհամաչափություն Տիեզերք
Տիեզերագիտության տեսության համաձայն՝ մասնիկները և դրանց հակամասնիկները զույգերով առաջացել են Մեծ պայթյունի ժամանակ ճառագայթումից։ Հակամասնիկները հականյութեր են, որոնք ունեն գրեթե նույն ֆիզիկական հատկությունները, ինչ նրանց բան գործընկերներ, այսինքն՝ մասնիկներ, բացառությամբ էլեկտրական լիցքի և մագնիսական հատկությունների, որոնք հակադարձված են: Այնուամենայնիվ, ի Տիեզերք գոյություն ունի և կազմված է միայն նյութից, ցույց է տալիս, որ մատերիա-հականյութի որոշ համաչափություն խախտվել է Մեծ պայթյունի ընթացքում, ինչի պատճառով զույգերը չեն կարողացել ամբողջությամբ վերացնել նորից արտադրվող ճառագայթումը: Ֆիզիկոսները դեռևս փնտրում են CP-սիմետրիայի խախտման նշաններ, որն իր հերթին կարող է բացատրել նյութ-հականյութի խախտված համաչափությունը վաղ շրջանում: Տիեզերք.
CP-սիմետրիան երկու տարբեր սիմետրիաների արտադրյալ է՝ լիցք-խոնարհում (C) և հավասարություն-փոխադարձ (P): Լիցք-կոնյուգացիա C, երբ կիրառվում է լիցքավորված մասնիկի վրա, փոխում է նրա լիցքի նշանը, ուստի դրական լիցքավորված մասնիկը դառնում է բացասական լիցքավորված և հակառակը: Չեզոք մասնիկները մնում են անփոփոխ C-ի ազդեցությամբ: Հավասարակշռության հակադարձ սիմետրիան հակադարձում է այն մասնիկի տարածական կոորդինատները, որոնց վրա գործում է, այնպես որ աջակողմյան մասնիկը դառնում է ձախակողմյան, ինչպես տեղի է ունենում հայելու առջև կանգնելիս: Վերջապես, երբ CP-ն գործում է աջակողմյան բացասական լիցքավորված մասնիկի վրա, այն վերածվում է ձախակողմյան դրական լիցքավորվածի, որը հանդիսանում է հակամասնիկը։ Այսպիսով բան և հականյութը կապված են միմյանց հետ CP-սիմետրիայի միջոցով: Հետևաբար, CP-ն պետք է խախտված լինի, որպեսզի գեներացվի դիտարկվածը նյութ-հականյութ ասիմետրիա, որն առաջին անգամ մատնանշել է Սախարովը 1967 թվականին (1)։
Քանի որ գրավիտացիոն, էլեկտրամագնիսական, ինչպես նաև ուժեղ փոխազդեցությունները անփոփոխ են CP-սիմետրիայի ներքո, Բնության մեջ CP-խախտում փնտրելու միակ վայրը քվարկների և/կամ լեպտոնների դեպքում է, որոնք փոխազդում են թույլ փոխազդեցության միջոցով: Մինչ այժմ CP-խախտումը փորձնականորեն չափվում էր քվարկային հատվածում, սակայն այն չափազանց փոքր է, որպեսզի ստեղծի գնահատված անհամաչափությունը: Տիեզերք. Հետևաբար լեպտոնային հատվածում CP-խախտման ըմբռնումը հատուկ հետաքրքրություն է ֆիզիկոսների համար՝ հասկանալու համար Տիեզերք. Լեպտոն-սեկտորում CP-խախտումը կարող է օգտագործվել նյութ-հականյութի անհամաչափությունը բացատրելու համար լեպտոգենեզ կոչվող գործընթացի միջոցով (2):
Ինչու՞ են կարևոր նեյտրինոները:
նեյտրինոները զրոյական էլեկտրական լիցքով բնության ամենափոքր, զանգվածային մասնիկներն են: Լինելով էլեկտրականորեն չեզոք, neutrinos չեն կարող ունենալ էլեկտրամագնիսական փոխազդեցություններ, և նրանք նույնպես չունեն ուժեղ փոխազդեցություններ: Նեյտրինոներն ունեն 0.1 էՎ կարգի փոքր զանգվածներ (~ 2 × 10-37կգ), հետևաբար գրավիտացիոն փոխազդեցությունը նույնպես շատ թույլ է: Միակ ելքը neutrinos կարող է փոխազդել այլ մասնիկների հետ կարճ հեռավորության թույլ փոխազդեցությունների միջոցով:
Այս թույլ փոխազդեցության հատկությունը neutrinosԱյնուամենայնիվ, դրանք հետաքրքիր զոնդ են դարձնում հեռավոր աստղաֆիզիկական օբյեկտները ուսումնասիրելու համար: Թեև նույնիսկ ֆոտոնները կարող են մթագնվել, ցրվել և ցրվել միջաստղային միջավայրում առկա փոշու, գազի մասնիկների և ֆոնային ճառագայթման պատճառով, neutrinos կարող է հիմնականում անարգել անցնել և հասնել Երկրի վրա հիմնված դետեկտորներին: Ներկա համատեքստում, լինելով թույլ փոխազդեցությամբ, նեյտրինո հատվածը կարող է լինել կենսունակ թեկնածու՝ նպաստելու CP-ի խախտմանը:
Նեյտրինոյի տատանում և CP-խախտում
Գոյություն ունեն երեք տեսակի նեյտրինոներ (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 և 𝜈𝜏 – մեկը, որը կապված է յուրաքանչյուր լեպտոնի հետ, համակցում է էլեկտրոնի (e), մյուոնի (𝜇) և տաուի (𝜏) համը: Նեյտրինոնները արտադրվում և հայտնաբերվում են որպես համային հատկություններ՝ թույլ փոխազդեցությունների միջոցով՝ կապված համապատասխան համի լիցքավորված լեպտոնի հետ, մինչդեռ դրանք տարածվում են որպես որոշակի զանգված ունեցող վիճակներ, որոնք կոչվում են զանգվածային սեփական վիճակներ։ Այսպիսով, որոշակի համով նեյտրինո ճառագայթը աղբյուրում դառնում է բոլոր երեք տարբեր համերի խառնուրդը հայտնաբերման կետում՝ անցնելով որոշակի ճանապարհի երկարությամբ. տարբեր համային վիճակների համամասնությունը կախված է համակարգի պարամետրերից: Այս երևույթը հայտնի է որպես նեյտրինոյի տատանում, ինչը այս փոքրիկ մասնիկներին շատ յուրահատուկ է դարձնում:
Տեսականորեն, նեյտրինոյի համի սեփական վիճակներից յուրաքանչյուրը կարող է արտահայտվել որպես բոլոր երեք զանգվածային սեփական վիճակների գծային համակցություն և հակառակը, և խառնումը կարող է նկարագրվել միատարր մատրիցով, որը կոչվում է Պոնտեկորվո-Մակի-Նակագավա-Սակատա (PMNS) մատրիցով (3,4): , 3). Այս եռաչափ միասնական խառնիչ մատրիցը կարող է պարամետրացվել երեք խառնման անկյուններով և բարդ փուլերով: Այս բարդ փուլերից նեյտրինոյի տատանումը զգայուն է միայն մեկ փուլի նկատմամբ, որը կոչվում է 𝛿𝐶𝑃, և դա լեպտոնային հատվածում ՔՊ-ի խախտման եզակի աղբյուրն է։ 🝛𝐶𝑃 կարող է վերցնել ցանկացած արժեք −180° և 180° միջակայքում: Մինչդեռ 𝛿𝐶𝑃=0,±180° նշանակում է, որ նեյտրինոները և հականեյտրինոները նույնական են վարվում, և CP-ն պահպանվում է, 𝛿𝐶𝑃=±90° ցույց է տալիս CP-ի առավելագույն խախտում Ստանդարտ մոդելի լեպտոնային հատվածում: Ցանկացած միջանկյալ արժեք վկայում է տարբեր աստիճանի CP-ի խախտման մասին: Հետևաբար 𝛿-ի չափումը𝐶𝑃 նեյտրինո ֆիզիկայի համայնքի ամենակարևոր նպատակներից մեկն է:
Տատանումների պարամետրերի չափում
Նեյտրինոները առատորեն արտադրվում են միջուկային ռեակցիաների ժամանակ, ինչպես Արեգակի, այլ աստղերի և գերնոր աստղերի: Դրանք նաև արտադրվում են Երկրի մթնոլորտում՝ ատոմային միջուկների հետ բարձր էներգիայի տիեզերական ճառագայթների փոխազդեցության միջոցով: Նեյտրինո հոսքի մասին պատկերացում կազմելու համար ամեն վայրկյան մեր միջով անցնում է մոտ 100 տրիլիոն: Բայց մենք դա նույնիսկ չենք գիտակցում, քանի որ նրանք շատ թույլ են փոխազդում: Սա դարձնում է նեյտրինոյի հատկությունների չափումը նեյտրինոյի տատանումների փորձերի ընթացքում իսկապես դժվար աշխատանք:
Այս խուսափողական մասնիկները չափելու համար նեյտրինո դետեկտորները մեծ են, ունեն կիլոգրամ տոննա զանգված, և փորձերը մի քանի տարի են պահանջում վիճակագրորեն նշանակալի արդյունքների հասնելու համար: Իրենց թույլ փոխազդեցության պատճառով գիտնականներին մոտ 25 տարի պահանջվեց առաջին նեյտրինոն փորձնականորեն հայտնաբերելու համար այն բանից հետո, երբ Պաուլին ենթադրեց նրանց ներկայությունը 1932 թվականին՝ բացատրելու միջուկային բետա քայքայման ժամանակ էներգիայի իմպուլսի պահպանումը (ցուցված է նկարում (5)):
Գիտնականները չափել են բոլոր երեք խառնման անկյունները ավելի քան 90% ճշգրտությամբ 99.73% (3𝜎) վստահությամբ (6): Միախառնման անկյուններից երկուսը մեծ են՝ բացատրելու արեգակնային և մթնոլորտային նեյտրինոների տատանումները, երրորդ անկյունը (անունը 𝜃13) փոքր է, լավագույն պիտանի արժեքը՝ մոտավորապես 8.6°, և փորձնականորեն չափվել է միայն վերջերս՝ 2011 թվականին, Չինաստանում նեյտրինո ռեակտորային փորձի միջոցով՝ Daya-Bay: PMNS մատրիցայում՝ փուլը 𝛿𝐶𝑃 հայտնվում է միայն sin𝜃 համակցությամբ13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, կատարելով 𝛿-ի փորձարարական չափում𝐶𝑃 դժվար
Պարամետրը, որը քանակականացնում է CP-խախտման չափը ինչպես քվարկներում, այնպես էլ նեյտրինո հատվածներում, կոչվում է Jarlskog invariant 𝐽𝐶𝑃 (7), որը հանդիսանում է անկյունների խառնման և CP-խախտման փուլի ֆունկցիա: Քվարկ հատվածի համար 𝐽𝐶𝑃~ 3×10-5 , մինչդեռ նեյտրինո-ոլորտի համար 𝐽𝐶𝑃~0.033 մեղք𝛿𝐶𝑃, և, հետևաբար, կարող է լինել մինչև երեք կարգի մեծության 𝐽-ից մեծ𝐶𝑃 քվարկային հատվածում՝ կախված 𝛿-ի արժեքից𝐶𝑃.
T2K-ի արդյունք – ակնարկ նյութ-հականյութ ասիմետրիայի առեղծվածը լուծելու համար
Երկար բազային նեյտրինոյի տատանումների T2K փորձի ժամանակ (Ճապոնիայում՝ Տոկայից դեպի Կամիոկա), նեյտրինո կամ հականեյտրինո ճառագայթները ստեղծվում են Ճապոնիայի պրոտոնային արագացուցիչի հետազոտական համալիրում (J-PARC) և հայտնաբերվում Super-Kamiokande-ի Water-Cerenkov դետեկտորում: Երկրի միջով 295 կմ տարածություն անցնելուց հետո: Քանի որ այս արագացուցիչը կարող է արտադրել կամ 𝜈 ճառագայթներ𝜇 կամ դրա հակամասնիկը 𝜈̅𝜇, և դետեկտորը կարող է հայտնաբերել 𝜈𝜇,𝜈𝑒 և դրանց հակամասնիկները 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, նրանք ունեն արդյունքներ չորս տարբեր տատանումների գործընթացներից և կարող են վերլուծություն կատարել՝ տատանման պարամետրերի արդյունավետ սահմաններ ստանալու համար: Այնուամենայնիվ, ՔՊ-ի խախտման փուլը 𝛿𝐶𝑃 հայտնվում է միայն այն գործընթացում, երբ նեյտրինոները փոխում են համը, այսինքն՝ տատանումների մեջ 𝜈𝜇→𝜈𝑒 և 𝜈̅𝜇→𝜈̅
Վերջին հաղորդագրության մեջ T2K համագործակցությունը հայտնել է նեյտրինո հատվածում CP-ի խախտման հետաքրքիր սահմանների մասին՝ վերլուծելով 2009 և 2018 թվականների ընթացքում հավաքագրված տվյալները (8): Այս նոր արդյունքը բացառեց 𝛿-ի բոլոր հնարավոր արժեքների մոտ 42%-ը𝐶𝑃. Ավելի կարևոր է, որ 95% վստահությամբ բացառված է այն դեպքը, երբ CP-ն պահպանվում է, և միևնույն ժամանակ, CP-ի առավելագույն խախտումը կարծես նախընտրելի է բնության մեջ:
Բարձր էներգիայի ֆիզիկայի ոլորտում նոր հայտնագործություն պահանջելու համար պահանջվում է 5𝜎 (այսինքն՝ 99.999%) վստահություն, հետևաբար հաջորդ սերնդի փորձերը պահանջվում են բավարար վիճակագրություն և ավելի բարձր ճշգրտություն ստանալու համար CP- խախտող փուլը հայտնաբերելու համար: Այնուամենայնիվ, T2K-ի վերջին արդյունքը նշանակալի զարգացում է նյութ-հականյութի ասիմետրիայի մեր ըմբռնման համար: Տիեզերք նեյտրինո հատվածում CP-խախտման միջոցով՝ առաջին անգամ։
***
Հիշատակում:
1. Սախարով, Անդրեյ Դ., 1991թ. ''Տիեզերքի CP անփոփոխության խախտում, C ասիմետրիա և բարիոնային ասիմետրիա'': Սովետական ֆիզիկա Ուսպեխի, 1991, 34 (5), 392–393։ DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Լեպտոգենեզի և նեյտրինոյի հատկությունների ներածություն: Ժամանակակից ֆիզիկա հատոր 53, 2012 – Թողարկում 4 Էջ 315-338: DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. and Sakata S., 1962. Դիտողություններ տարրական մասնիկների միասնական մոդելի վերաբերյալ: Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, November 1962, Pages 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ՀԱԿԱՌԱԿ ԲԵՏԱ ԳՈՐԾԸՆԹԱՑՆԵՐ ԵՎ ԼԵՊՏՈՆԱՅԻՆ ԼԻՑՔԻ ՉՊԱՀՊԱՆՈՒՄ: Journal of Experimental and Theoretical Physics (ԽՍՀՄ) 34, 247-249 (հունվար, 1958): Հասանելի է առցանց http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Մուտք գործվել է 23 թվականի ապրիլի 2020-ին։
5. Ինդուկտիվ ծանրաբեռնվածություն, 2007. Բետա-մինուս Decay. [image online] Հասանելի է https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Մուտք գործվել է 23 թվականի ապրիլի 2020-ին։
6. Թանաբաշի Մ., և այլն: (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) և 2019 թ. թարմացում: DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog արձագանքում է. Ֆիզ. Լեթ քհնյ. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Նեյտրինոյի տատանումների նյութի հականյութերի համաչափությունը խախտող փուլի սահմանափակում: Nature հատոր 580, էջեր339–344 (2020): Հրատարակված՝ 15 թվականի ապրիլի 2020: DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
