پرده برداری از رمز و راز عدم تقارن ماده و پادماده در جهان با آزمایشات نوسان نوترینو

T2K، یک خط پایه طولانی نوترینو آزمایش نوسان در ژاپن، اخیراً مشاهداتی را گزارش کرده است که در آن شواهد قوی از تفاوت بین ویژگی‌های فیزیکی اساسی کشف کرده‌اند. نوترینوها و ضد ماده مشابه، ضد نوترینوها. این مشاهدات به توضیح یکی از بزرگترین اسرار علم - توضیحی برای تسلط بر علم اشاره دارد ماده در جهان بر ضد ماده، و بنابراین وجود ما.

La ماده-عدم تقارن ضد ماده جهان

بر اساس نظریه کیهان شناسی، ذرات و پادذرات آنها به صورت جفت از تابش در طی بیگ بنگ تولید شده اند. پادذرات پادماده‌هایی هستند که تقریباً خواص فیزیکی مشابهی دارند ماده همتایان یعنی ذرات، به جز برای بار الکتریکی و خواص مغناطیسی که معکوس هستند. با این حال جهان وجود دارد و فقط از ماده تشکیل شده است، نشان می دهد که برخی از تقارن ماده-ضد ماده در جریان بیگ بنگ شکسته شده است، به همین دلیل این جفت ها نتوانستند دوباره تشعشعات تولیدی را کاملاً از بین ببرند. فیزیکدانان هنوز به دنبال نشانه هایی از نقض تقارن CP هستند، که به نوبه خود می تواند تقارن شکسته ماده و ضد ماده را در اوایل توضیح دهد. جهان.

تقارن CP حاصلضرب دو تقارن مختلف است - بار-کنژوگاسیون (C) و برابری-برگشت (P). ترکیب بار C هنگامی که روی یک ذره باردار اعمال می شود، علامت بار آن را تغییر می دهد، بنابراین یک ذره با بار مثبت دارای بار منفی می شود و بالعکس. ذرات خنثی تحت تأثیر C بدون تغییر می مانند. تقارن معکوس برابری مختصات فضایی ذره ای را که بر روی آن اثر می گذارد معکوس می کند - بنابراین یک ذره راست دست چپ دست می شود، مشابه آنچه وقتی در مقابل آینه می ایستیم اتفاق می افتد. در نهایت، زمانی که CP روی یک ذره با بار منفی راست دست عمل می کند، به ذره ای با بار مثبت چپ دست تبدیل می شود که همان پاد ذره است. بدین ترتیب ماده و ضد ماده از طریق تقارن CP به یکدیگر مرتبط هستند. از این رو CP باید برای تولید مشاهده شده نقض شده باشد عدم تقارن ماده-ضد ماده، که اولین بار توسط ساخاروف در سال 1967 اشاره شد (1).

از آنجایی که فعل و انفعالات گرانشی، الکترومغناطیسی و همچنین قوی تحت تقارن CP ثابت هستند، تنها جایی که می‌توان به دنبال نقض CP در طبیعت بود، در مورد کوارک‌ها و/یا لپتون‌ها است که از طریق برهمکنش ضعیف برهم‌کنش می‌کنند. تا به حال، نقض CP به صورت تجربی در بخش کوارک اندازه گیری شده است، با این حال، برای ایجاد عدم تقارن تخمین زده شده بسیار کوچک است. جهان. از این رو درک نقض CP در بخش لپتون برای فیزیکدانان برای درک وجود جهان. نقض CP در بخش لپتون می تواند برای توضیح عدم تقارن ماده-ضد ماده از طریق فرآیندی به نام لپتوژنز استفاده شود (2).

چرا نوترینوها مهم هستند؟

نوترینوها ریزترین و عظیم ترین ذرات طبیعت با بار الکتریکی صفر هستند. خنثی بودن الکتریکی، نوترینوها نمی توانند فعل و انفعالات الکترومغناطیسی داشته باشند و همچنین برهمکنش قوی ندارند. نوترینوها دارای جرم های کوچکی از مرتبه 0.1 eV (~ 2 × 10-³⁷کیلوگرم)، از این رو برهم کنش گرانشی نیز بسیار ضعیف است. تنها راه نوترینوها می تواند با ذرات دیگر از طریق برهمکنش های ضعیف کوتاه برد باشد.

این خاصیت با تعامل ضعیف نوترینوهابا این حال، آنها را به یک کاوشگر جالب برای مطالعه اجرام اخترفیزیکی دور تبدیل می کند. در حالی که حتی فوتون ها می توانند توسط غبار، ذرات گاز و تشعشعات پس زمینه موجود در محیط بین ستاره ای پنهان، پراکنده و پراکنده شوند. نوترینوها می تواند بدون مانع عبور کند و به آشکارسازهای مبتنی بر زمین برسد. در شرایط فعلی، بخش نوترینو با تعامل ضعیف می‌تواند کاندیدای مناسبی برای کمک به نقض CP باشد.

نوسان نوترینو و نقض CP

سه نوع نوترینو (𝜈) وجود دارد - 𝜈_𝑒، 𝜈_𝜇 و 𝜈_𝜏 – یکی مرتبط با هر لپتون، الکترون (e)، میون (𝜇) و تاو (𝜏) را طعم می دهد. نوترینوها از طریق فعل و انفعالات ضعیف در ارتباط با لپتون باردار طعم متناظر، به عنوان حالت‌های ویژه طعمی تولید و شناسایی می‌شوند، در حالی که به صورت حالت‌هایی با جرم معین به نام حالت‌های ویژه منتشر می‌شوند. بنابراین یک پرتو نوترینویی با طعم مشخص در منبع، پس از طی کردن برخی از طول مسیرها، به مخلوطی از هر سه طعم مختلف در نقطه تشخیص تبدیل می‌شود - نسبت حالت‌های طعم مختلف به پارامترهای سیستم وابسته است. این پدیده به نوسان نوترینو معروف است که این ذرات ریز را بسیار خاص می کند!

از نظر تئوری، هر یک از حالت های ویژه طعم نوترینو را می توان به صورت ترکیبی خطی از هر سه حالت ویژه جرمی و بالعکس بیان کرد و اختلاط را می توان با یک ماتریس واحد به نام ماتریس Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) توصیف کرد. ، 3,4). این ماتریس اختلاط واحد سه بعدی را می توان با سه زاویه اختلاط و فازهای پیچیده پارامتری کرد. از میان این فازهای پیچیده، نوسانات نوترینو تنها به یک فاز حساس است که 𝛿 نام دارد._𝐶𝑃، و منبع منحصر به فرد نقض CP در بخش لپتون است. 🝛_𝐶𝑃 می تواند هر مقداری را در محدوده -180 درجه و 180 درجه بگیرد. در حالی که 𝛿_𝐶𝑃=0،±180 درجه به این معنی است که نوترینوها و پادنوترینوها یکسان رفتار می کنند و CP حفظ می شود، 𝛿_𝐶𝑃=±90 درجه نشان دهنده حداکثر نقض CP در بخش لپتون مدل استاندارد است. هر مقدار میانی نشان دهنده نقض CP در درجات مختلف است. بنابراین اندازه گیری 𝛿_𝐶𝑃 یکی از مهمترین اهداف جامعه فیزیک نوترینو است.

اندازه گیری پارامترهای نوسان

نوترینوها در طول واکنش های هسته ای به وفور تولید می شوند، مانند واکنش های خورشید، ستاره های دیگر و ابرنواخترها. آنها همچنین در جو زمین از طریق تعامل پرتوهای کیهانی پرانرژی با هسته اتم تولید می شوند. برای داشتن ایده ای از شار نوترینو، در هر ثانیه حدود 100 تریلیون از ما عبور می کند. اما ما حتی آن را متوجه نمی شویم زیرا آنها بسیار ضعیف در تعامل هستند. این باعث می‌شود که اندازه‌گیری ویژگی‌های نوترینو در طول آزمایش‌های نوسانی نوترینو یک کار واقعاً چالش‌برانگیز باشد!

برای اندازه‌گیری این ذرات گریزان، آشکارسازهای نوترینو بزرگ هستند، جرم کیلو تنی دارند و آزمایش‌ها چندین سال طول می‌کشد تا به نتایج آماری قابل توجهی دست یابند. به دلیل برهمکنش ضعیف آنها، دانشمندان حدود 25 سال طول کشید تا اولین نوترینو را به صورت تجربی پس از اینکه پائولی حضور آنها را در سال 1932 برای توضیح بقای انرژی- تکانه در واپاشی بتا هسته ای فرض کرد (نشان داده شده در شکل (5)) را تشخیص دادند.

دانشمندان هر سه زاویه اختلاط را با دقت بیش از 90 درصد با اطمینان 99.73 درصد (3𝜎) اندازه گیری کرده اند (6). دو تا از زوایای اختلاط برای توضیح نوسانات نوترینوهای خورشیدی و جوی بزرگ هستند، زاویه سوم (به نام 𝜃₁₃) کوچک است، بهترین مقدار تقریباً 8.6 درجه است و به تازگی در سال 2011 توسط آزمایش نوترینو راکتور دایا-بی در چین به صورت تجربی اندازه گیری شد. در ماتریس PMNS، فاز 𝛿_𝐶𝑃 فقط در ترکیب گناه ظاهر می شود₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} انجام اندازه گیری تجربی 𝛿_𝐶𝑃 دشواری.

پارامتری که میزان نقض CP را در بخش‌های کوارک و نوترینو کمیت می‌کند، ثابت Jarlskog نامیده می‌شود._𝐶𝑃 (7)، که تابعی از اختلاط زوایای و فاز نقض کننده CP است. برای بخش کوارک 𝐽_𝐶𝑃~ 3 10^-5 ، در حالی که برای بخش نوترینو 𝐽_𝐶𝑃~0.033 گناه𝛿_𝐶𝑃، و بنابراین می تواند تا سه مرتبه بزرگتر از 𝐽 باشد_𝐶𝑃 در بخش کوارک، بسته به مقدار 𝛿_𝐶𝑃.

نتیجه از T2K - اشاره ای به حل معمای عدم تقارن ماده و ضد ماده

در آزمایش نوسان نوترینوی بلندمدت T2K (Tokai-to-Kamioka در ژاپن)، پرتوهای نوترینو یا پادنوترینو در مجتمع تحقیقاتی شتاب دهنده پروتون ژاپن (J-PARC) تولید می‌شوند و در آشکارساز Water-Cerenkov در Super-Kamiokande شناسایی می‌شوند. پس از طی مسافت 295 کیلومتری از زمین. از آنجایی که این شتاب دهنده می تواند پرتوهای یکی از 𝜈 را تولید کند_𝜇 یا پادذره آن 𝜈̅𝜇، و آشکارساز می تواند تشخیص دهد._𝜇،𝜈_𝑒 و پادذرات آنها 𝜈̅𝜇، 𝜈̅𝑒، نتایج حاصل از چهار فرآیند نوسانی مختلف را دارند و می توانند آنالیز را برای بدست آوردن مرزهای کارآمد در پارامترهای نوسان انجام دهند. با این حال، مرحله نقض CP 𝛿_𝐶𝑃 تنها در فرآیندی ظاهر می شود که نوترینوها طعم خود را تغییر می دهند، یعنی در نوسانات 𝜈𝜇→𝜈𝑒 و 𝜈̅

در ارتباط اخیر، همکاری T2K با تجزیه و تحلیل داده‌های جمع‌آوری‌شده در طول سال‌های 2009 و 2018، محدودیت‌های جالبی را در مورد نقض CP در بخش نوترینو گزارش کرده است (8). این نتیجه جدید حدود 42 درصد از تمام مقادیر ممکن 𝛿 را رد کرد_𝐶𝑃. مهمتر از آن، موردی که CP حفظ می شود با اطمینان 95٪ رد شده است، و در عین حال به نظر می رسد حداکثر نقض CP در طبیعت ترجیح داده شود.

در زمینه فیزیک پرانرژی، اطمینان 5 ❜ (یعنی 99.999٪) برای ادعای یک کشف جدید مورد نیاز است، بنابراین آزمایشات نسل بعدی برای بدست آوردن آمار کافی و دقت بالاتر برای کشف فاز نقض CP مورد نیاز است. با این حال، نتیجه اخیر T2K پیشرفت قابل توجهی در جهت درک ما از عدم تقارن ماده-ضد ماده است. جهان از طریق نقض CP در بخش نوترینو، برای اولین بار.

***

منابع:

1. ساخاروف، آندری دی.، 1991. "نقض عدم تغییر CP، عدم تقارن C، و عدم تقارن باریونی جهان". فیزیک شوروی اوسپخی، 1991، 34 (5)، 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di، 2012. مقدمه ای بر لپتوژنز و خواص نوترینو. فیزیک معاصر جلد 53، 2012 – شماره 4 صفحات 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z.، Nakagawa M. and Sakata S.، 1962. اظهارات در مورد مدل یکپارچه ذرات بنیادی. Progress of theoretical Physics، جلد 28، شماره 5، نوامبر 1962، صفحات 870-880، DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B.، 1958. فرآیندهای بتا معکوس و عدم حفظ بار لپتون. مجله فیزیک تجربی و نظری (USSR) 34، 247-249 (ژانویه، 1958). آنلاین موجود است http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. دسترسی به 23 آوریل 2020.

5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [تصویر آنلاین] موجود در https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. دریافت شده در 23 آوریل 2020.

6. تنابشی م.، و همکاران. (گروه داده های ذرات)، 2018. توده های نوترینو، اختلاط، و نوسانات، فیزیک. Rev. D98, 030001 (2018) و به روز رسانی 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog، C.، 1986. Jarlskog پاسخ می دهد. فیزیک کشیش لِت 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. همکاری T2K، 2020. محدودیت در فاز نقض تقارن ماده-ضد ماده در نوسانات نوترینو. جلد طبیعت 580، صفحات 339–344 (2020). تاریخ انتشار: 15 آوریل 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***