T2K, o linie de bază lungă neutrini experimentul de oscilație din Japonia, a raportat recent o observație în care au detectat o dovadă puternică a unei diferențe între proprietățile fizice fundamentale ale neutrini și cel al omologul antimateriei corespunzător, anti-neutrini. Această observație sugerează explicarea unuia dintre cele mai mari mistere ale științei – o explicație pentru dominarea importanţă în Univers peste antimaterie, și astfel însăși existența noastră.
importanţă-antimaterie asimetrie a Univers
Conform teoriei Cosmologiei, particulele și antiparticulele lor au fost produse în perechi din radiații în timpul Big-Bang-ului. Antiparticulele sunt antimaterie care au aproape aceleași proprietăți fizice ca și ale lor importanţă omologii, adică particulele, cu excepția sarcinii electrice și a proprietăților magnetice care sunt inversate. Însă Univers există și este alcătuit doar din materie, indică faptul că o anumită simetrie materie-antimaterie a fost ruptă în cursul Big-Bang-ului, din cauza căreia perechile nu s-au putut anihila complet producând radiații din nou. Fizicienii încă caută semne ale încălcării simetriei CP, care, la rândul lor, pot explica simetria întreruptă materie-antimaterie la începutul anului. Univers.
Simetria CP este produsul a două simetrii diferite – conjugarea sarcinii (C) și inversarea parității (P). Conjugarea sarcină C atunci când este aplicată pe o particulă încărcată schimbă semnul sarcinii sale, astfel încât o particulă încărcată pozitiv devine încărcată negativ și invers. Particulele neutre rămân neschimbate sub acțiunea lui C. Simetria inversă-paritate inversează coordonatele spațiale ale particulei asupra căreia acționează – astfel încât o particulă din dreapta devine stângacă, similar cu ceea ce se întâmplă când stă în fața unei oglinzi. În cele din urmă, atunci când CP acționează asupra unei particule cu încărcare negativă din dreapta, este transformată într-una cu încărcare pozitivă pentru stânga, care este antiparticulă. Prin urmare importanţă și antimateria sunt legate între ele prin simetrie CP. Prin urmare, CP trebuie să fi fost încălcat pentru a genera observația asimetria materie-antimaterie, care a fost subliniat prima dată de Saharov în 1967 (1).
Deoarece interacțiunile gravitaționale, electromagnetice, precum și cele puternice sunt invariante sub simetria CP, singurul loc în care să căutați încălcarea CP în Natură este în cazul quarcilor și/sau leptonilor, care interacționează prin interacțiune slabă. Până acum, încălcarea CP a fost măsurată experimental în sectorul cuarcilor, cu toate acestea, este prea mică pentru a genera asimetria estimată a Univers. Prin urmare, înțelegerea încălcării CP în sectorul leptonului este de interes special pentru fizicieni pentru a înțelege existența Univers. Încălcarea CP în sectorul lepton poate fi folosită pentru a explica asimetria materie-antimaterie printr-un proces numit leptogeneză (2).
De ce sunt importanți neutrinii?
neutrinii sunt cele mai mici și masive particule ale Naturii cu sarcină electrică zero. Fiind neutru din punct de vedere electric, neutrini nu pot avea interacțiuni electromagnetice și nici nu au interacțiuni puternice. Neutrinii au mase mici de ordinul a 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), prin urmare interacțiunea gravitațională este, de asemenea, foarte slabă. Singura cale neutrini poate interacționa cu alte particule este prin interacțiuni slabe pe rază scurtă.
Această proprietate de interacțiune slabă a neutrini, cu toate acestea, le face o sondă interesantă pentru a studia obiecte astrofizice îndepărtate. În timp ce chiar și fotonii pot fi ascunși, difuzați și împrăștiați de praful, particulele de gaz și radiațiile de fond prezente în mediul interstelar, neutrini poate trece în cea mai mare parte nestingherit și poate ajunge la detectoarele de pe Pământ. În contextul actual, fiind slab interacționat, sectorul neutrino poate fi un candidat viabil pentru a contribui la încălcarea CP.
Oscilația neutrinilor și încălcarea CP
Există trei tipuri de neutrini (𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 și 𝜈𝜏 – câte unul asociat fiecărui lepton aromă electron (e), muon (𝜇) și tau (𝜏). Neutrinii sunt produși și detectați ca stări proprii de aromă prin interacțiuni slabe în asociere cu leptonul încărcat al aromei corespunzătoare, în timp ce se propagă ca stări cu mase definite, numite stări proprii de masă. Astfel, un fascicul de neutrini cu aromă definită la sursă devine un amestec al tuturor celor trei arome diferite în punctul de detectare după ce a parcurs o anumită lungime a căii - proporția diferitelor stări de aromă fiind dependentă de parametrii sistemului. Acest fenomen este cunoscut sub numele de oscilație a neutrinilor, ceea ce face ca aceste particule minuscule să fie foarte speciale!
Teoretic, fiecare dintre stările proprii de aromă de neutrini poate fi exprimată ca o combinație liniară a tuturor celor trei stări proprii de masă și invers, iar amestecarea poate fi descrisă printr-o matrice unitară numită matrice Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4). ,3). Această matrice de amestecare unitară tridimensională poate fi parametrizată prin trei unghiuri de amestecare și faze complexe. Dintre aceste faze complexe, oscilația neutrinilor este sensibilă doar la o singură fază, numită 𝛿𝐶𝑃, și este sursa unică de încălcare a CP în sectorul lepton. 𝛿𝐶𝑃 poate lua orice valoare în intervalul -180° și 180°. În timp ce 𝛿𝐶𝑃=0,±180° înseamnă că neutrinii și antineutrinii se comportă identic și CP este conservată, 𝛿𝐶𝑃=±90° indică o încălcare maximă a CP în sectorul lepton al modelului standard. Orice valoare intermediară indică încălcarea CP la grade diferite. Prin urmare măsurarea lui 𝛿𝐶𝑃 este unul dintre cele mai importante obiective ale comunității fizicii neutrinilor.
Măsurarea parametrilor de oscilație
Neutrinii sunt produși din abundență în timpul reacțiilor nucleare, cum ar fi cei din Soare, alte stele și supernove. Ele sunt, de asemenea, produse în atmosfera Pământului prin interacțiunea razelor cosmice de înaltă energie cu nucleele atomice. Pentru a avea o idee despre fluxul de neutrini, aproximativ 100 de trilioane trec prin noi în fiecare secundă. Dar nici nu ne dăm seama, deoarece interacționează foarte slab. Acest lucru face ca măsurarea proprietăților neutrinilor în timpul experimentelor de oscilație a neutrinilor să fie cu adevărat provocatoare!
Pentru a măsura aceste particule evazive, detectoarele de neutrini sunt mari, având kilograme de masă, iar experimentele durează câțiva ani pentru a obține rezultate semnificative statistic. Din cauza interacțiunilor lor slabe, oamenilor de știință le-a luat aproximativ 25 de ani să detecteze experimental primul neutrin, după ce Pauli a postulat prezența lor în 1932 pentru a explica conservarea energiei-impuls în dezintegrarea beta nucleară (prezentată în figura (5)).
Oamenii de știință au măsurat toate cele trei unghiuri de amestecare cu o precizie de peste 90% la o încredere de 99.73% (3𝜎) (6). Două dintre unghiurile de amestecare sunt mari pentru a explica oscilațiile neutrinilor solari și atmosferici, al treilea unghi (numit 𝜃13) este mică, valoarea optimă fiind de aproximativ 8.6° și a fost măsurată experimental abia recent, în 2011, de experimentul cu neutrini din reactor Daya-Bay din China. În matricea PMNS, faza 𝛿𝐶𝑃 apare doar în combinația sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, efectuând măsurarea experimentală a 𝛿𝐶𝑃 dificil.
Parametrul care cuantifică cantitatea de încălcare a CP atât în sectoarele cuarci, cât și în neutrino se numește invariant Jarlskog 𝐽𝐶𝑃 (7), care este o funcție a unghiurilor de amestecare și a fazei de încălcare a CP. Pentru sectorul cuarci 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , în timp ce pentru sectorul neutrino 𝐽𝐶𝑃~0.033 sin𝛿𝐶𝑃, și astfel poate fi cu până la trei ordine de mărime mai mare decât 𝐽𝐶𝑃 în sectorul cuarcilor, în funcție de valoarea lui 𝛿𝐶𝑃.
Rezultat de la T2K – un indiciu pentru rezolvarea misterului asimetriei materie-antimaterie
În experimentul de oscilație a neutrinilor T2K (Tokai-to-Kamioka în Japonia), fasciculele de neutrini sau antineutrini sunt generate la Complexul de Cercetare Acceleratorului de Protoni din Japonia (J-PARC) și detectate la detectorul Water-Cerenkov de la Super-Kamiokande, după ce a parcurs o distanţă de 295 km prin Pământ. Deoarece acest accelerator poate produce fascicule fie de 𝜈𝜇 sau antiparticula sa 𝜈̅𝜇, iar detectorul poate detecta 𝜈𝜇,𝜈𝑒 și antiparticulele lor 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, au rezultate din patru procese de oscilație diferite și pot efectua analiza pentru a obține limite eficiente ale parametrilor de oscilație. Cu toate acestea, faza de încălcare a CP 𝛿𝐶𝑃 apare doar în procesul când neutrinii își schimbă aromele, adică în oscilațiile 𝜈𝜇→𝜈𝑒 și 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – orice diferență în aceste două procese ar implica o încălcare a CP în sectorul lepton.
Într-o comunicare recentă, colaborarea T2K a raportat limite interesante privind încălcarea CP în sectorul neutrini, analizând datele colectate în 2009 și 2018 (8). Acest nou rezultat a exclus aproximativ 42% din toate valorile posibile ale 𝛿𝐶𝑃. Mai important, cazul în care CP este conservat a fost exclus la o încredere de 95% și, în același timp, încălcarea maximă a CP pare să fie preferată în Natură.
În domeniul fizicii energiilor înalte, este necesară o încredere de 5𝜎 (adică 99.999%) pentru a revendica o nouă descoperire, prin urmare, experimentele de generație următoare sunt necesare pentru a obține suficiente statistici și o precizie mai mare pentru descoperirea fazei de încălcare a CP. Cu toate acestea, rezultatul recent T2K este o dezvoltare semnificativă pentru înțelegerea noastră a asimetriei materie-antimaterie a Univers prin încălcarea CP în sectorul neutrino, pentru prima dată.
***
Referinte:
1. Saharov, Andrei D., 1991. ''Încălcarea invarianței CP, asimetriei C și asimetriei barionului universului''. Fizica sovietică Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. O introducere în leptogeneză și proprietățile neutrinilor. Fizica Contemporană Volumul 53, 2012 – Numărul 4 Paginile 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. și Sakata S., 1962. Observații asupra modelului unificat al particulelor elementare. Progresul fizicii teoretice, volumul 28, numărul 5, noiembrie 1962, paginile 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. PROCESELE BETA INVERSE ȘI NECONSERVAREA ÎNCĂRCĂRII LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (URSS) 34, 247-249 (ianuarie, 1958). Disponibil online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Accesat pe 23 aprilie 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [imagine online] Disponibil la https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Accesat 23 aprilie 2020.
6. Tanabashi M., şi colab. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) și actualizare 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog răspunde. Fiz. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Constrângere asupra fazei de violare a simetriei materie-antimaterie în oscilațiile neutrinilor. Nature volum 580, paginile 339–344(2020). Publicat: 15 aprilie 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
