Орчлон ертөнцийн матери-антиматерийн тэгш бус байдлын нууцыг нейтрино хэлбэлзлийн туршилтаар тайлах нь

T2K, урт суурь нейтрино Японд хийсэн хэлбэлзлийн туршилтууд саяхан ажиглалтын талаар мэдээлсэн бөгөөд тэд үндсэн физик шинж чанаруудын хоорондын ялгааг хүчтэй нотлох баримтыг илрүүлсэн байна. нейтрино мөн харгалзах антиматерийн эсрэг нейтриногийн эсрэг. Энэхүү ажиглалт нь шинжлэх ухааны хамгийн том нууцуудын нэг болох шинжлэх ухааны ноёрхлын тайлбарыг тайлбарлахыг сануулж байна. асуудал дахь Орчлон ертөнц эсрэг бодис, улмаар бидний оршин тогтнох.

The асуудал-антиматерийн тэгш бус байдал Орчлон ертөнц

Сансар судлалын онолоор бол том тэсрэлтийн үед бөөмс ба тэдгээрийн эсрэг бөөмс нь цацраг туяанаас хос хосоороо үүссэн. Эсрэг бөөмс нь тэднийхтэй бараг ижил физик шинж чанартай эсрэг бодис юм асуудал цахилгаан цэнэг ба соронзон шинж чанараас бусад тохиолдолд эсрэгээр нь өөрөөр хэлбэл бөөмс. Гэсэн хэдий ч, Орчлон ертөнц оршдог ба зөвхөн материас тогтдог нь Big-Bang-ийн явцад зарим бодис-эсрэг бодисын тэгш хэм эвдэрсэн тул хосууд дахин цацрагийг бүрэн устгаж чадаагүйг харуулж байна. Физикчид CP-тэгш хэмийн зөрчлийн шинж тэмдгийг хайж байгаа бөгөөд энэ нь эргээд эвдэрсэн бодис-эсрэг бодисын тэгш хэмийг эрт үед тайлбарлаж чадна. Орчлон ертөнц.

CP-тэгш хэм нь цэнэг-коньюгаци (C) ба паритет-урвуу (P) гэсэн хоёр өөр тэгш хэмийн үржвэр юм. Цэнэглэсэн бөөм дээр C цэнэг-коньюгаци нь түүний цэнэгийн тэмдгийг өөрчилдөг тул эерэг цэнэгтэй бөөмс нь сөрөг цэнэгтэй ба эсрэгээр болдог. С-ийн үйлчлэлд төвийг сахисан бөөмс өөрчлөгдөөгүй хэвээр үлдэнэ. Паритет-урвуу тэгш хэм нь үйлчилж буй бөөмийн орон зайн координатыг өөрчилдөг - тиймээс баруун гартай бөөм нь толины өмнө зогсоход тохиолддогтой адил зүүн гартай болдог. Эцэст нь, CP нь баруун гар талын сөрөг цэнэгтэй бөөм дээр ажиллах үед энэ нь эсрэг бөөм болох зүүн гар эерэг цэнэгтэй болж хувирдаг. Тиймээс асуудал ба эсрэг бодисууд нь CP-тэгш хэмээр дамжуулан хоорондоо холбоотой байдаг. Тиймээс ажиглалтыг бий болгохын тулд CP зөрчсөн байх ёстой бодис-эсрэг бодисын тэгш бус байдал, үүнийг анх 1967 онд Сахаров онцолсон (1).

Таталцал, цахилгаан соронзон болон хүчтэй харилцан үйлчлэл нь CP-тэгш хэмийн дор өөрчлөгддөггүй тул байгальд CP-зөрчлийг хайх цорын ганц газар бол сул харилцан үйлчлэлээр харилцан үйлчилдэг кварк ба/эсвэл лептон юм. Өнөөг хүртэл кварк-секторт CP-ийн зөрчлийг туршилтаар хэмжсэн боловч энэ нь тооцоолсон тэгш бус байдлыг бий болгоход хэтэрхий бага байна. Орчлон ертөнц. Тиймээс лептон-сектор дахь CP-зөрчлийг ойлгох нь физикчдэд энэ нь оршин байгааг ойлгоход онцгой сонирхолтой байдаг. Орчлон ертөнц. Лептон-сектор дахь CP-зөрчлийг лептогенез гэж нэрлэгддэг процессоор дамжуулан бодис-эсрэг бодисын тэгш бус байдлыг тайлбарлахад ашиглаж болно (2).

Нейтрино яагаад чухал вэ?

нейтрино Эдгээр нь тэг цахилгаан цэнэгтэй байгалийн хамгийн жижиг, асар том бөөмс юм. Цахилгаан саармаг байх, нейтрино цахилгаан соронзон харилцан үйлчлэлтэй байж болохгүй, бас хүчтэй харилцан үйлчлэлгүй. Нейтрино нь 0.1 эВ (~ 2 × 10-) хэмжээтэй жижиг масстай.³⁷кг), тиймээс таталцлын харилцан үйлчлэл нь маш сул байдаг. Цорын ганц арга нейтрино Богино зайн сул харилцан үйлчлэлээр дамжуулан бусад хэсгүүдтэй харьцаж болно.

Энэ сул харилцан үйлчлэлийн шинж чанар нейтриноГэсэн хэдий ч тэднийг алс холын астрофизикийн объектуудыг судлах сонирхолтой датчик болгодог. Хэдийгээр од хоорондын орчинд байгаа тоос, хийн тоосонцор, арын цацрагийн нөлөөгөөр фотон хүртэл бүрхэгдэж, тархаж, тархаж болно. нейтрино голдуу саадгүй өнгөрч, дэлхий дээрх мэдрэгчүүдэд хүрч чаддаг. Өнөөгийн нөхцөлд нейтрино-сектор нь харилцан үйлчлэл багатай тул CP-г зөрчихөд хувь нэмрээ оруулах боломжтой нэр дэвшигч байж болно.

Нейтрино хэлбэлзэл ба CP-зөрчил

Гурван төрлийн нейтрино (𝜈) байдаг - 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 болон 𝜈_𝜏 – лептон тус бүртэй холбоотой нэг нь электрон (e), муон (𝜇) болон tau (𝜏) амтыг өгдөг. Нейтрино нь харгалзах амттай цэнэгтэй лептонтой холбоотой сул харилцан үйлчлэлийн үр дүнд амт-өөрийн төлөв байдлаар үүсч, илрэх ба массын өвөрмөц төлөв гэж нэрлэгддэг тодорхой масстай төлөв байдлаар тархдаг. Ийнхүү эх үүсвэр дэх тодорхой амттай нейтрино туяа нь тодорхой урт замыг туулсаны дараа илрүүлэх цэг дээр гурван өөр амтын холимог болж хувирдаг - янз бүрийн амт төлөвийн эзлэх хувь нь системийн параметрүүдээс хамаардаг. Энэ үзэгдлийг нейтрино хэлбэлзэл гэж нэрлэдэг бөгөөд энэ нь эдгээр жижиг хэсгүүдийг маш онцгой болгодог!

Онолын хувьд нейтрино амт-өөрийн төлөв бүрийг бүх гурван массын өвөрмөц төлөвийн шугаман хослол болон эсрэгээр илэрхийлж болох ба холих үйл явцыг Понтекорво-Маки-Накагава-Саката (PMNS) матриц (3,4) гэж нэрлэдэг нэгдмэл матрицаар тодорхойлж болно. ,3). Энэхүү XNUMX хэмжээст нэгдмэл холих матрицыг холих гурван өнцөг болон нийлмэл фазаар параметржүүлж болно. Эдгээр нийлмэл фазуудаас нейтрино хэлбэлзэл нь зөвхөн нэг үе шатанд мэдрэмтгий байдаг бөгөөд үүнийг 𝛿 гэж нэрлэдэг._𝐶𝑃, мөн энэ нь лептон-сектор дахь CP-зөрчлийн өвөрмөц эх үүсвэр юм. 𝛿_𝐶𝑃 −180° ба 180° мужид дурын утгыг авч болно. 𝛿 байхад_𝐶𝑃=0,±180° гэдэг нь нейтрино ба антинейтрино нь адилхан ажиллаж, CP хадгалагдана гэсэн үг, 𝛿_𝐶𝑃=±90° нь Стандарт загварын лептон-сектор дахь CP-ийн хамгийн их зөрчлийг илэрхийлнэ. Аливаа завсрын үнэ цэнэ нь янз бүрийн түвшний CP-зөрчил байгааг илтгэнэ. Тиймээс 𝛿-ийн хэмжилт_𝐶𝑃 нь нейтрино физикийн нийгэмлэгийн хамгийн чухал зорилтуудын нэг юм.

Хэлбэлзлийн параметрүүдийг хэмжих

Нейтрино нь нар, бусад одод, хэт шинэ од зэрэг цөмийн урвалын үед их хэмжээгээр үүсдэг. Тэд мөн дэлхийн агаар мандалд өндөр энергитэй сансрын туяа атомын цөмтэй харилцан үйлчилснээр үүсдэг. Нейтрино урсгалын тухай ойлголттой болохын тулд секунд тутамд 100 орчим их наяд бидний дундуур дамждаг. Гэвч тэд маш сул харьцдаг тул бид үүнийг анзаардаггүй. Энэ нь нейтрино хэлбэлзлийн туршилтын явцад нейтрино шинж чанарыг хэмжих нь үнэхээр хэцүү ажил болгодог!

Эдгээр баригдашгүй тоосонцорыг хэмжихийн тулд нейтрино детекторууд нь том хэмжээтэй, килограмм тонн жинтэй бөгөөд статистикийн ач холбогдолтой үр дүнд хүрэхийн тулд туршилт хийхэд хэдэн жил шаардагддаг. Тэдний харилцан үйлчлэл сул байсан тул 25 онд Паули цөмийн бета задралд эрчим хүчний импульс хадгалагдахыг тайлбарласны дараа анхны нейтрино-г илрүүлэхийн тулд эрдэмтэд 1932 орчим жил зарцуулсан (зураг (5)).

Эрдэмтэд холих бүх гурван өнцгийг 90%-иас дээш нарийвчлалтайгаар 99.73% (3𝜎) итгэлтэйгээр хэмжсэн байна (6). Холих өнцгүүдийн хоёр нь нарны болон атмосферийн нейтриногийн хэлбэлзлийг тайлбарлахын тулд том, гурав дахь өнцөг нь (нэрлэсэн 𝜃).₁₃) нь жижиг, хамгийн тохиромжтой утга нь ойролцоогоор 8.6° бөгөөд саяхан 2011 онд Хятад дахь Дая-Бэйн реакторын нейтрино туршилтаар туршилтаар хэмжсэн. PMNS матрицад үе шат 𝛿_𝐶𝑃 sin𝜃 гэсэн хослолд л гардаг₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} 𝛿-ийн туршилтын хэмжилт хийх_𝐶𝑃 хэцүү.

Кварк ба нейтрино секторын аль алинд нь CP-ийн зөрчлийн хэмжээг тодорхойлдог параметрийг Jarlskog invariant 𝐽 гэж нэрлэдэг._𝐶𝑃 (7), энэ нь холих өнцөг ба CP-ийг зөрчих үе шат юм. Кварк-секторын хувьд 𝐽_𝐶𝑃~ 3 × 10^-5 , харин нейтрино-салбарын хувьд 𝐽_𝐶𝑃~0.033 нүгэл𝛿_𝐶𝑃, улмаар 𝐽-ээс гурав хүртэлх дараалал их байж болно_𝐶𝑃 𝛿-ийн утгаас хамааран кварк-секторт_𝐶𝑃.

T2K-ийн үр дүн – бодис-эсрэг бодисын тэгш бус байдлын нууцыг тайлах зөвлөмж

Урт суурьтай нейтрино хэлбэлзлийн туршилтын T2K (Японы Токай-Камиока) дээр нейтрино эсвэл антинейтрино цацрагийг Японы протоны хурдасгуурын судалгааны цогцолборт (J-PARC) үүсгэж, Супер-Камиокандэ дахь Ус-Церенков детектор дээр илрүүлсэн. Дэлхий даяар 295 км замыг туулсаны дараа. Учир нь энэ хурдасгуур нь 𝜈-ийн аль нэгнийх нь цацраг үүсгэж чаддаг_𝜇 эсвэл түүний эсрэг бөөмс 𝜈̅𝜇 ба детектор нь 𝜈_𝜇,𝜈_𝑒 болон тэдгээрийн эсрэг бөөмсүүд 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, тэдгээр нь дөрвөн өөр хэлбэлзлийн процессын үр дүнтэй бөгөөд хэлбэлзлийн параметрүүдийн үр ашигтай хязгаарыг авахын тулд шинжилгээ хийж чаддаг. Гэсэн хэдий ч CP-ийг зөрчих үе шат 𝛿_𝐶𝑃 Энэ нь зөвхөн нейтрино нь амтаа өөрчлөх үед, өөрөөр хэлбэл 𝜈𝜇→𝜈𝑒 ба 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 хэлбэлзэлд гарч ирдэг – эдгээр хоёр үйл явцын аливаа ялгаа нь лептон секторт CP-ийн зөрчлийг илтгэнэ.

Саяхны нэгэн мэдээгээр T2K хамтын ажиллагаа нь 2009, 2018 онуудад цуглуулсан мэдээлэлд дүн шинжилгээ хийж, нейтрино сектор дахь CP-ийн зөрчлийн талаар сонирхолтой хязгаарыг мэдээлсэн байна (8). Энэхүү шинэ үр дүн нь 𝛿-ийн бүх боломжит утгын 42 орчим хувийг үгүйсгэж байна_𝐶𝑃. Хамгийн чухал нь, CP-ийг хадгалах тохиолдол 95% -ийн итгэл үнэмшилтэйгээр үгүйсгэгдсэн бөгөөд үүнтэй зэрэгцэн CP-ийн хамгийн их зөрчлийг байгальд илүүд үздэг.

Өндөр энергийн физикийн салбарт шинэ нээлтийг батлахын тулд 5𝜎 (өөрөөр хэлбэл 99.999%) итгэлтэй байх шаардлагатай тул CP-ийг зөрчсөн үе шатыг илрүүлэх хангалттай статистик, өндөр нарийвчлалтай байхын тулд дараагийн үеийн туршилтуудыг хийх шаардлагатай. Гэсэн хэдий ч сүүлийн үеийн T2K-ийн үр дүн нь матери-антиматерийн тэгш бус байдлын талаарх бидний ойлголтод чухал ач холбогдолтой дэвшил юм. Орчлон ертөнц нейтрино-сектор дахь CP-зөрчилөөр дамжуулан анх удаа.

***

Ашигласан материал:

1. Сахаров, Андрей Д., 1991. ''Орчлон ертөнцийн CP инварианц, С асимметри, барион тэгш бус байдлыг зөрчих''. Зөвлөлтийн физик Усспехи, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Лептогенез ба нейтрино шинж чанаруудын танилцуулга. Contemporary Physics 53-р боть, 2012 – Дугаар 4 315-338 хуудас. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Маки З., Накагава М. ба Саката С., 1962. Элементар бөөмсийн нэгдсэн загварын талаархи тайлбар. Онолын физикийн явц, 28-р боть, 5-р дугаар, 1962 оны 870-р сар, Хуудас 880–XNUMX, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Понтекорво Б., 1958. Урвуу БЕТА ПРОЦЕСС БА ЛЕПТОНЫ ЦЭНГИЙГ ХАМГААЛАХГҮЙ. Туршилтын болон онолын физикийн сэтгүүл (ЗХУ) 34, 247-249 (1958 оны XNUMX-р сар). Онлайнаар авах боломжтой http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 оны 2020-р сарын XNUMX-нд хандсан.

5. Inductiveload, 2007. Бета-хасах Decay. [зураг онлайн] Эндээс авах боломжтой https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 оны 2020-р сарын XNUMX-нд хандсан.

6. Танабаши М., нар. (Бөөмийн өгөгдлийн бүлэг), 2018. Нейтрино масс, холилдох ба хэлбэлзэл, Физик. Илч D98, 030001 (2018) болон 2019 оны шинэчлэл. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog хариулав. Физик. Илч Летт. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. The T2K Collaboration, 2020. Нейтрино хэлбэлзэл дэх бодисын эсрэг бодисын тэгш хэмийг зөрчих үе шат дахь хязгаарлалт. Байгалийн боть 580, хуудас339–344(2020). Нийтэлсэн: 15 оны 2020-р сарын XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***

Холбогдох нийтлэлүүд:

Яагаад "Матери" орчлонд ноёрхож, харин "Антиматер" биш? Орчлон ертөнц яагаад оршин тогтнохыг эрэлхийлж байна (18)

Антиматер нь таталцлын нөлөөнд материйн нэгэн адил нөлөөлдөг (29)

Антипротон тээвэрлэлтийн ахиц дэвшил  (2 оны 2024-р сарын XNUMX)

ОУСС-д дэлхийг тойрон эргэлдэж буй жижиг хөргөгчний хэмжээтэй "Хүйтэн атомын лаборатори (CAL)" яагаад шинжлэх ухаанд чухал ач холбогдолтой вэ?  (28 оны 2024-р сарын XNUMX)

***