Japonian egindako T2K neutrino oszilazio esperimentu batek, oinarri luzekoek , behaketa bat jakinarazi berri du, non neutrinoen oinarrizko propietate fisikoen eta antimateria-parekidearen, antineutrinoen, arteko desberdintasun sendo baten ebidentzia detektatu duten. Behaketa honek zientziaren misterio handienetako bat azaltzen laguntzen du: Unibertsoan materiak antimateria baino gehiago duen nagusitasunaren azalpena , eta , beraz, gure existentzia bera.
Unibertsoaren materia - antimateria asimetria
Kosmologiaren teoriaren arabera, partikulak eta haien antipartikulak binaka sortu ziren erradiaziotik Big Bang-ean zehar. Antipartikulak antimateria dira, materia- parekideen ia propietate fisiko berdinak dituztenak, hau da, partikulekin, karga elektrikoa eta propietate magnetikoak alderantzizkoak izan ezik. Hala ere, Unibertsoa existitzen da eta materiaz bakarrik osatuta dago, eta horrek adierazten du materia-antimateria simetria bat hautsi zela Big Bang-ean zehar, eta horren ondorioz bikoteak ezin izan ziren guztiz deuseztatu, berriro erradiazioa sortuz. Fisikariek oraindik CP simetria-haustearen sinadurak bilatzen ari dira, eta horrek, aldi berean, Unibertsoaren hasierako materia-antimateria simetria hautsia azal dezake.
CP-simetria bi simetria ezberdinen produktua da: karga-konjugazioa (C) eta paritate-alderantzikatzea (P). Karga-konjugazioa den C partikula bati aplikatzean, bere kargaren zeinua aldatzen du, beraz, positiboki kargatutako partikula bat negatiboki kargatuta bihurtzen da eta alderantziz. Partikula neutroak aldatu gabe mantentzen dira C-ren eraginpean. Paritate-alderantzikatzeko simetriak eragiten dion partikularen koordenatu espazialak alderantzikatzen ditu; beraz, eskuineko partikula bat ezkertiar bihurtzen da, ispilu baten aurrean jartzean gertatzen den antzera. Azkenik, CP-k eskuineko negatiboki kargatutako partikula bati eragiten dionean, ezkertiar positiboki kargatutako batean bihurtzen da, eta hori antipartikula da. Horrela, materia eta antimateria elkarren artean CP-simetriaren bidez erlazionatzen dira. Beraz, CP urratu behar izan zen behatutako materia-antimateria asimetria sortzeko , Sakharov-ek 1967an adierazi zuena (1).
Grabitazio-, elektromagnetiko- eta elkarrekintza sendoak CP-simetriaren pean aldaezinak direnez, Naturan CP-urratzea bilatzeko leku bakarra quark eta/edo leptoien kasuan da, elkarrekintza ahularen bidez elkarreragiten baitute. Orain arte, CP-urratzea esperimentalki neurtu da quark sektorean, baina txikiegia da Unibertsoaren asimetria kalkulatzeko . Beraz, leptoi sektoreko CP-urratzea ulertzea bereziki interesgarria da fisikarientzat Unibertsoaren existentzia ulertzeko . Leptoi sektoreko CP-urratzea erabil daiteke materia-antimateria asimetria azaltzeko, leptogenesia izeneko prozesu baten bidez (2).
Zergatik dira garrantzitsuak neutrinoak?
Neutrinoak Naturako partikula txikienak eta masiboenak dira, zero karga elektriko dutenak. Elektrikoki neutroak direnez, neutrinoek ezin dituzte elkarrekintza elektromagnetikoak izan, eta ez dute elkarrekintza sendorik ere. Neutrinok 0.1 eV-ko ordenako masa txikiak dituzte (~ 2 × 10- 37 kg), beraz, grabitazio-elkarrekintza ere oso ahula da. Neutrinok beste partikulekin elkarreragiteko modu bakarra distantzia laburreko elkarrekintza ahulak dira.
Neutrinoen elkarreragin ahularen propietate honek , ordea, zunda interesgarri bihurtzen ditu urruneko objektu astrofisikoak aztertzeko. Fotoiak ere hauts, gas partikula eta izar arteko ingurunean dauden atzeko plano erradiazioek ilundu, barreiatu eta sakabanatu ditzaketen arren, neutrinoak ia oztoporik gabe igaro daitezke eta Lurrean oinarritutako detektagailuetara iritsi. Gaur egungo testuinguruan, elkarreragin ahula dutenez, neutrinoen sektorea hautagai bideragarria izan daiteke CP urraketari laguntzeko.
Neutrinoen oszilazioa eta CP-urraketa
Hiru neutrino mota daude (𝜈) – 𝜈 𝑒 , 𝜈 𝜇 eta 𝜈 𝜏 – bat leptoi zapore bakoitzarekin lotuta: elektroia (e), muoia (𝜇) eta taua (𝜏). Neutrinoak zapore-egoera propio gisa sortu eta detektatzen dira, dagokion zaporeko leptoi kargatuarekin lotutako interakzio ahulen bidez, eta masa zehatzeko egoera gisa hedatzen dira, masa-egoera propio deiturikoak. Horrela, iturrian zapore zehatzeko neutrino sorta bat hiru zapore desberdinen nahasketa bihurtzen da detekzio puntuan, bide-luzera bat zeharkatu ondoren – zapore-egoera desberdinen proportzioa sistemaren parametroen araberakoa da. Fenomeno hau neutrino oszilazio gisa ezagutzen da, eta horrek partikula txiki hauek oso berezi bihurtzen ditu!
Teorian, neutrinoen zapore-egoera propio bakoitza hiru masa-egoera propioen konbinazio lineal gisa adieraz daiteke eta alderantziz, eta nahasketa Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrizea (3,4) izeneko matrize unitario batek deskriba dezake. 3 dimentsioko nahasketa unitario matrize hau hiru nahasketa angelu eta fase konplexuen bidez parametriza daiteke. Fase konplexu horien artean, neutrinoen oszilazioa fase bakarrarekiko sentikorra da, 𝛿 𝐶𝑃 izenekoa , eta CP-urraketaren iturri bakarra da leptoni-sektorean. 𝛿 𝐶𝑃-k edozein balio har dezake -180° eta 180° tartean. 𝛿 𝐶𝑃 =0,±180°-k neutrinoek eta antineutrinoek berdin jokatzen dutela eta CP kontserbatzen dela esan nahi duen bitartean, 𝛿 𝐶𝑃 =±90°-k CP-urraketa maximoa adierazten du Eredu Estandarraren leptoni-sektorean. Edozein tarteko baliok CP-urraketaren adierazle da gradu desberdinetan. Beraz, 𝛿 𝐶𝑃- ren neurketa neutrinoen fisikako komunitatearen helburu garrantzitsuenetako bat da.
Oszilazio-parametroen neurketa
Neutrinoak ugari sortzen dira erreakzio nuklearretan, Eguzkian, beste izar batzuetan eta supernobetan bezala. Lurraren atmosferan ere sortzen dira energia handiko izpi kosmikoek nukleo atomikoekin duten elkarrekintzaren bidez. Neutrino-fluxuaren ideia bat izateko, segundoro 100 bilioi inguru pasatzen dira gugandik. Baina ez gara konturatu ere egiten, oso ahul elkarreragiten dutelako. Honek neutrinoen oszilazio esperimentuetan neutrinoen propietateak neurtzea oso lan zaila da!
Partikula iheskor hauek neurtzeko, neutrino-detektagailuak handiak dira, kilo-tona masa dute eta esperimentuek hainbat urte behar dituzte estatistikoki emaitza esanguratsuak lortzeko. Beren interakzio ahulak direla eta, zientzialariek 25 bat urte behar izan zituzten lehen neutrinoa esperimentalki detektatzeko Paulik 1932an haien presentzia postulatu ondoren beta desintegrazio nuklearraren energia-momentuaren kontserbazioa azaltzeko ((5) irudian ageri dena).
Zientzialariek hiru nahasketa-angeluak % 90 baino zehaztasun handiagoarekin neurtu dituzte % 99.73ko (3𝜎) konfiantzarekin (6). Bi nahasketa-angelu handiak dira eguzki- eta atmosfera-neutrinoen oszilazioak azaltzeko, hirugarren angelua (𝜃 13 izenekoa ) txikia da, doikuntza-balio onena 8.6° ingurukoa izanik, eta esperimentalki neurtu zen duela gutxi, 2011n, Txinako Daya-Bay erreaktore-neutrinoen esperimentuak eginez. PMNS matrizean, 𝛿 𝐶𝑃 fasea sin𝜃 13 𝑒 ±𝑖𝛿 𝐶𝑃 konbinazioan bakarrik agertzen da , eta horrek 𝛿 𝐶𝑃 -ren neurketa esperimentala zailtzen du.
Quark zein neutrino sektoreetan CP-urraketaren kopurua kuantifikatzen duen parametroari Jarlskog inbariantea deritzo, 𝐽 𝐶𝑃 (7), nahasketa angeluen eta CP-urraketa fasearen funtzio bat dena. Quark sektorearentzat 𝐽 𝐶𝑃 ~3×10 -5 da , eta neutrino sektorearentzat 𝐽 𝐶𝑃 ~0.033 sin𝛿 𝐶𝑃 da , eta beraz, hiru magnitude ordena handiagoa izan daiteke quark sektorean 𝐽 𝐶𝑃 baino, 𝛿 𝐶𝑃- ren balioaren arabera.
T2K-ren emaitza - materia-antimateria asimetriaren misterioa konpontzeko iradokizuna
T2K (Japonian Tokai-to-Kamioka) oinarri luzeko neutrino oszilazio esperimentuan, neutrino edo antineutrino sorta batzuk sortzen dira Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) erakundean eta Super-Kamiokande-ko Water-Cerenkov detektagailuan detektatzen dira, Lurrean zehar 295 km-ko distantzia egin ondoren. Azeleragailu honek 𝜈 𝜇 edo bere 𝜈̅𝜇 antipartikula sorta sor ditzakeenez, eta detektagailuak 𝜈 𝜇 ,𝜈 𝑒 eta haien 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒 antipartikulak detektatu ditzakeenez, lau oszilazio prozesu ezberdinen emaitzak dituzte eta analisia egin dezakete oszilazio parametroen muga eraginkorrak lortzeko. Hala ere, CP-urratzailea den 𝛿 𝐶𝑃 fasea neutrinoek zaporea aldatzen duten prozesuan bakarrik agertzen da, hau da, 𝜈𝜇→𝜈𝑒 eta 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 oszilazioetan - bi prozesu hauen arteko edozein desberdintasunek CP-urraketa bat ekarriko luke leptoni sektorean.
Duela gutxiko komunikazio batean, T2K lankidetzak neutrino sektoreko CP-urraketaren muga interesgarriak jakinarazi ditu, 2009 eta 2018 bitartean bildutako datuak aztertuz (8). Emaitza berri honek 𝛿 𝐶𝑃- ren balio posible guztien % 42 inguru baztertu ditu . Garrantzitsuagoa dena, CP kontserbatzen den kasua % 95eko konfiantzan baztertu da, eta, aldi berean, CP-urraketa maximoa nahiago dela dirudi Naturan.
Energia handiko fisikaren arloan, 5𝜎 (hau da, % 99.999) konfiantza behar da aurkikuntza berri bat aldarrikatzeko, beraz, hurrengo belaunaldiko esperimentuak behar dira estatistika nahikoa eta zehaztasun handiagoa lortzeko CP urratzen duen fasea aurkitzeko. Hala ere, azken T2K-ren emaitza garapen garrantzitsua da materia-antimateria asimetria ulertzeko Universe Neutrinoen sektoreko CP-urraketaren bidez, lehen aldiz.
***
References:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''Unibertsoaren CP inbariantziaren, C asimetriaren eta barioi asimetriaren urraketa''. Soviet Physics Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Leptogenesiari eta neutrinoen propietateei buruzko sarrera. Contemporary Physics 53. liburukia, 2012 – 4. alea, 315-338 orrialdeak. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. eta Sakata S., 1962. Oinarrizko partikulen eredu bateratuari buruzko oharrak. Progress of Theoretical Physics, 28. liburukia, 5. zenbakia, 1962ko azaroa, 870–880 orrialdeak, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ALDEKO BETA PROZESUAK ETA LEPTONEN KARGAREN KONTSERBAZIO EZA. Journal of Experimental and Theoretical Physics (SESB) 34, 247-249 (1958ko urtarrila). Eskuragarri online http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 2020ko apirilaren 23an kontsultatua.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [irudia sarean] Eskuragarri hemen: https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 2020ko apirilaren 23an kontsultatua.
6. Tanabashi M., et al. (Partikula Datuen Taldea), 2018. Neutrinoen Masak, Nahasketa eta Oszilazioak, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) eta 2019ko eguneraketa. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Erantzun. Fisikoak. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. T2K Lankidetza, 2020. Neutrino oszilazioetan materia-antimateria simetria-hausten duen fasearen murrizketa. Nature 580. liburukia, 339–344 orrialdeak (2020). Argitaratze data: 2020ko apirilaren 15a. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
Gaiarekin lotutako artikuluak:
Zergatik da 'Materia' Unibertsoa Nagusi eta ez 'Antimateria'? Unibertsoa Zergatik Existentzia Bilatzen (2020ko apirilaren 18a)
Antimaterian grabitateak eragina du materiaren eragin berbera (2023ko IRAILAREN 29a)
Antiprotoien garraioan aurrerapenak (2024ko abenduaren 2a)
Zergatik den garrantzitsua zientziarentzat ISSn Lurraren inguruan orbitatzen ari den "Cold Atom Lab (CAL)" hozkailu txiki baten tamainakoa (2024ko abuztuaren 28a)
***
