T2K, oinarri luzea neutrinoa Japoniako oszilazio esperimentua, duela gutxi behaketa baten berri eman du, non oinarrizko propietate fisikoen arteko desberdintasunaren froga sendoa detektatu duten. neutrinoen eta dagokion antimateriaren kontrakoarena, antineutrinoena. Behaketa honek zientziaren misterio handienetako bat azaltzeko iradokitzen du --en menderakuntzaren azalpena. axola in the Universe antimateriaren gainetik, eta, beraz, gure existentzia bera.
The axola-aren asimetria antimateria Universe
Kosmologiaren teoriaren arabera, partikulak eta haien antipartikulak binaka sortu ziren erradiaziotik Big-Bang garaian. Antipartikulak haien propietate fisiko berdinak dituzten antimateria dira axola parekoak, hau da, partikulak, alderantzizko karga elektrikoa eta propietate magnetikoak izan ezik. Hala ere, Universe existitzen den eta materiaz bakarrik osatuta dagoela adierazten du Big-Bang-en zehar materia-antimateria simetria batzuk hautsi zirela, eta horregatik bikoteek ezin izan zuten erabat deuseztatu erradiazioa berriro sortuz. Fisikariek CP-simetriaren urraketaren sinaduraren bila dabiltza oraindik, eta, aldi berean, materia-antimateria hautsitako simetria hasieran azal dezakete. Universe.
CP-simetria bi simetria ezberdinen produktua da: karga-konjugazioa (C) eta parekotasun-alderantzizketa (P). C karga-konjugazioak kargatutako partikula bati aplikatzen zaionean bere kargaren zeinua aldatzen du, beraz, positiboki kargatutako partikula bat negatiboki kargatzen da eta alderantziz. Partikula neutroak aldatu gabe geratzen dira C-ren eraginpean. Parekidetasun-alderantzizko simetriak eragiten duen partikularen koordenatu espazialak alderantzikatzen ditu; beraz, eskuineko partikula bat ezkerrekoa bihurtzen da, ispilu baten aurrean dagoenean gertatzen denaren antzera. Azkenik, CP eskuineko karga negatiboko partikula baten gainean jarduten duenean, ezkerreko karga positiboko partikula batean bihurtzen da, hau da, antipartikula. Horrela axola eta antimateria elkarren artean erlazionatuta daude CP-simetriaren bidez. Beraz, CP urratu behar da behatutakoa sortzeko materia-antimateria asimetria, Sakharovek 1967an adierazi zuen lehen aldiz (1).
Grabitazio, elektromagnetiko eta elkarrekintza indartsuak CP-simetriaren arabera aldaezinak direnez, Naturan CP-urraketa bilatzeko leku bakarra quark eta/edo leptoien kasuan da, elkarrekintza ahulen bidez elkarreragiten dutenak. Orain arte, CP-urraketa esperimentalki neurtu da quark-sektorean, baina txikiegia da asimetria estimatua sortzeko. Universe. Beraz, leptoi-sektorean CP-urraketa ulertzea interes berezia da Fisikarientzat, hauen existentzia ulertzeko. Universe. Lepton-sektoreko CP-urraketa materia-antimateria asimetria azaltzeko erabil daiteke leptogenesia izeneko prozesu baten bidez (2).
Zergatik dira garrantzitsuak neutrinoak?
neutrinos Zero karga elektrikoa duten Naturako partikularik txikienak dira. Elektrikoki neutroa izanik, neutrinoen ezin dute interakzio elektromagnetikorik izan, eta ez dute elkarrekintza sendorik ere. Neutrinoek 0.1 eV (~ 2 × 10-) masa txikiak dituzte.37kg), beraz, elkarrekintza grabitatorioa ere oso ahula da. Bide bakarra neutrinoen beste partikula batzuekin elkarreragin dezake irismen laburreko interakzio ahulen bidez.
Interakzio ahuleko propietate hau neutrinoen, ordea, urruneko objektu astrofisikoak aztertzeko zunda interesgarri bihurtzen ditu. Nahiz eta fotoiak ilundu, hedatu eta sakabana daitezke izarrarteko medioan dauden hauts, gas partikulek eta hondoko erradiazioek, neutrinoen gehienetan oztoporik gabe pasa daiteke eta Lurrean oinarritutako detektagailuetara irits daiteke. Egungo testuinguruan, interakzio ahula izanik, neutrino-sektorea hautagai bideragarria izan daiteke CP-ren urraketari laguntzeko.
Neutrinoen oszilazioa eta CP-urraketa
Hiru neutrino mota daude (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 eta 𝜈𝜏 – lepton bakoitzari lotutako bat elektroia (e), muoia (𝜇) eta tau (𝜏) zapore ditu. Neutrinoak zapore-egoera gisa ekoizten eta detektatzen dira, dagokion zaporearen lepton kargatuarekin erlazionatutako interakzio ahulen bidez, masa zehatzeko egoera gisa hedatzen diren bitartean, masa-egoera deitzen direnak. Beraz, iturrian zapore zehatzeko neutrino izpi bat detekzio-puntuan hiru zapore desberdinen nahasketa bihurtzen da bide-luzera batean zehar bidaiatu ondoren - zapore-egoera desberdinen proportzioa sistemaren parametroen menpe dago. Fenomeno hau neutrinoen oszilazio gisa ezagutzen da, eta horrek oso berezi egiten ditu partikula txiki hauek!
Teorian, neutrino-zapore-egoera bakoitza hiru masa-egoeren konbinazio lineal gisa adieraz daiteke eta alderantziz eta nahasketa Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) matrize unitario baten bidez deskriba daiteke (3,4). ,3). XNUMX dimentsioko nahaste matrize unitario hau hiru nahaste-angelu eta fase konplexuen bidez parametriza daiteke. Fase konplexu hauetatik, neutrinoen oszilazioa fase bakarrera sentikorra da, 𝛿 izenekoa𝐶𝑃, eta CP-urratzearen iturri bakarra da leptoi-sektorean. 𝛿𝐶𝑃 −180° eta 180° tarteko edozein balio har dezake. 𝛿 bitartean𝐶𝑃=0,±180° esan nahi du neutrinoek eta antineutrinoek berdin jokatzen dutela eta CP kontserbatzen dela, 𝛿𝐶𝑃=±90° Eredu Estandarreko leptoi-sektorean CP-urraketa maximoa adierazten du. Tarteko edozein balio gradu ezberdinetan CP-urratzearen adierazgarri da. Horregatik 𝛿-ren neurketa𝐶𝑃 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 %90eko zehaztasunarekin neurtu dituzte %99.73ko (3𝜎) konfiantzarekin (6). Nahaste-angeluetako bi handiak dira eguzki- eta atmosferako neutrinoen oszilazioak azaltzeko, hirugarren angelua (𝜃 izenekoa).13) txikia da, egokitzerik onena 8.6°-koa da gutxi gorabehera, eta 2011n esperimentalki neurtu zen Txinako Daya-Bay erreaktorearen neutrinoen esperimentuak. PMNS matrizean, fasea 𝛿𝐶𝑃 sin𝜃 konbinazioan bakarrik agertzen da13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, 𝛿-ren neurketa esperimentala eginez𝐶𝑃 zailtasuna.
quark zein neutrino-sektoreetan CP-urraketa kopurua kuantifikatzen duen parametroari Jarlskog-en aldaezina deritzo 𝐽𝐶𝑃 (7), angeluak nahasteko eta CP urratzen duen fasearen funtzioa dena. Quark-sektorerako 𝐽𝐶𝑃~3×10-5 , berriz, neutrino-sektorerako 𝐽𝐶𝑃~0.033 sin𝛿𝐶𝑃, eta, beraz, 𝐽 baino hiru magnitude-ordena handiagoa izan daiteke𝐶𝑃 quark-sektorean, 𝛿-ren balioaren arabera𝐶𝑃.
T2K-ren emaitza - materia-antimateria asimetriaren misterioa konpontzeko iradokizuna
Oinarri luzeko neutrinoen oszilazio T2K esperimentuan (Tokai-to-Kamioka Japonian), neutrino edo antineutrino izpiak Japoniako Protoi Azeleragailuen Ikerketa Konplexuan (J-PARC) sortzen dira eta Super-Kamiokandeko Water-Cerenkov detektagailuan detektatzen dira, Lurrean zehar 295 km-ko distantzia egin ondoren. Azeleragailu honek 𝜈-ren habeak sor ditzakeenez𝜇 edo bere antipartikula 𝜈̅𝜇, eta detektagailuak 𝜈 detektatu dezake𝜇,𝜈𝑒 eta haien antipartikulek 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, lau oszilazio prozesu ezberdinetako emaitzak dituzte eta analisia egin dezakete oszilazio-parametroen muga eraginkorrak lortzeko. Hala ere, CP urratzen duen fasea 𝛿𝐶𝑃 Neutrinoek zaporea aldatzen dutenean bakarrik agertzen da, hau da, 𝜈𝜇→𝜈𝑒 eta 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 oszilazioetan; bi prozesu hauetan edozein desberdintasunek leptoi-sektorean CP-urraketa suposatuko luke.
Berriki egindako komunikazio batean, T2K lankidetzak neutrinoen sektorean CP-urraketari buruzko muga interesgarriak jakinarazi ditu, 2009 eta 2018 urteetan bildutako datuak aztertuz (8). Emaitza berri honek 𝛿-ren balio posible guztien %42 inguru baztertu zuen𝐶𝑃. Are garrantzitsuagoa dena, CP kontserbatzen den kasua baztertu egin da %95eko konfiantzarekin, eta, aldi berean, naturan CP-urraketa maximoa hobesten dela dirudi.
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. ''CP inbariantzia, C asimetria eta unibertsoaren asimetria barionaren urraketa''. Sobietar Fisika Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Leptogenesiaren eta neutrinoen propietateen sarrera. Fisika Garaikidea 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. alea, 1962ko azaroa, 870–880 orrialdeak, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. BETA INBERTSIKO PROZESUAK ETA LEPTON KARGA EZ KONTSERBATZEA. Journal of Experimental and Theoretical Physics (URSS) 34, 247-249 (1958ko urtarrila). Sarean eskuragarri http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23ko apirilaren 2020an sartu zen.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [irudia sarean] Hemen eskuragarri https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23ko apirilaren 2020an kontsultatua.
6. Tanabashi M., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Mass, Mixing, and Oscillations, Phys. D98, 030001 (2018) eta 2019ko eguneratzea. 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. The T2K Collaboration, 2020. Neutrinoen oszilazioetan materia-antimateria simetria-urratzen duen fasearen muga. Nature 580 liburukia, 339–344 orrialdeak (2020). Argitarapena: 15ko apirilaren 2020a. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
