T2K, langur grunnlína hlutleysingi sveiflutilraun í Japan, hefur nýlega greint frá athugun þar sem þeir hafa greint sterkar vísbendingar um mun á grundvallar eðliseiginleikum hlutleysingjar og samsvarandi andefnis hliðstæðu, and-neutrínó. Þessi athugun gefur til kynna að útskýra einn af stærstu leyndardómum vísinda – skýringu á yfirráðum yfir máli í Universe yfir andefni og þar með tilveru okkar.
The máli-andefnisósamhverfu á Universe
Samkvæmt heimsfræðikenningunni voru agnir og mótagnir þeirra framleiddar í pörum frá geislun í Miklahvell. Andagnir eru andefni sem hafa næstum sömu eðliseiginleika og þeirra máli hliðstæður þ.e. agnir, nema rafhleðsla og segulmagnaðir eiginleikar sem snúast við. Hins vegar er Universe er til og er aðeins samsett úr efni gefur til kynna að einhver samhverfa efnis og andefnis hafi rofnað á meðan Miklahvell stóð yfir, af þeim sökum gátu pörin ekki tortímt að fullu og myndaði geislun aftur. Eðlisfræðingar eru enn að leita að merkjum um brot á CP-samhverfu, sem aftur getur útskýrt brotna samhverfu efnis og andefnis í upphafi Universe.
CP-samhverfa er afurð tveggja mismunandi samhverfa - hleðslusamtengingu (C) og jöfnunarviðsnúningur (P). Hleðslusamtenging C þegar hún er notuð á hlaðna ögn breytir merki hleðslu hennar, þannig að jákvætt hlaðin ögn verður neikvætt hlaðin og öfugt. Hlutlausar agnir haldast óbreyttar undir virkni C. Samhverfa samhverfa snýr við staðbundnum hnitum ögnarinnar sem hún verkar á – þannig að rétthent ögn verður örvhent, svipað og gerist þegar maður stendur fyrir framan spegil. Að lokum, þegar CP virkar á rétthenta, neikvætt hlaðna ögn, er henni breytt í örvhenta, jákvætt hlaðna ögn, sem er mótögnin. Þannig máli og andefni tengjast hvert öðru í gegnum CP-samhverfu. Þess vegna hlýtur CP að hafa verið brotið til að mynda það sem sést ósamhverfa efnis og andefnis, sem Sakharov benti fyrst á árið 1967 (1).
Þar sem þyngdarafl, rafsegulfræðileg og sterk víxlverkun eru óbreytileg við CP-samhverfu, er eini staðurinn til að leita að CP-broti í náttúrunni ef um er að ræða kvarka og/eða leptóna, sem hafa samskipti með veikum samskiptum. Hingað til hefur CP-brot verið mæld í tilraunaskyni í kvarkageiranum, en það er of lítið til að búa til áætlaða ósamhverfu Universe. Þess vegna er eðlisfræðingum sérstaklega áhugavert að skilja CP-brotið í leptóngeiranum til að skilja tilvist Universe. Hægt er að nota CP-brotið í leptóngeiranum til að útskýra ósamhverfu efnis og andefnis með ferli sem kallast leptogenesis (2).
Af hverju eru neutrinos mikilvæg?
fiseindir eru minnstu, gríðarstóru agnir náttúrunnar með núll rafhleðslu. Að vera rafhlutlaus, hlutleysingjar geta ekki haft rafsegulfræðileg víxlverkun og þau hafa ekki sterk víxlverkun heldur. Nifteindir hafa örlítinn massa af stærðargráðunni 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), þess vegna er þyngdaraflvirkni líka mjög veik. Eina leiðin hlutleysingjar getur haft samskipti við aðrar agnir er í gegnum skammdræg veik samskipti.
Þessi veikt víxlverkandi eiginleiki hlutleysingjar, gerir þá hins vegar áhugaverða könnun til að rannsaka fjarlæg stjarneðlisfræðileg fyrirbæri. Þó að jafnvel ljóseindir geti verið huldar, dreift og dreift af ryki, gasögnum og bakgrunnsgeislun sem er til staðar í millistjörnumiðlinum, hlutleysingjar geta komist að mestu óhindrað framhjá og náð til jarðskynjara. Í núverandi samhengi, þar sem daufkyrningageirinn er í veikum samskiptum, getur verið raunhæfur frambjóðandi til að stuðla að CP-brotinu.
Neutrino oscillation og CP-brot
Það eru þrjár tegundir af daufkyrningum (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 og 𝜈𝜏 – eitt tengt hverju leptónbragði rafeind (e), múon (𝜇) og tau (𝜏). Neutrino eru framleidd og greind sem bragð-eiginríki með veikum víxlverkunum í tengslum við hlaðið leptón af samsvarandi bragði, á meðan þau dreifast sem ástand með ákveðinn massa, sem kallast massa-eigenstater. Þannig verður neutrino geisli af ákveðnu bragði við upptökin blanda af öllum þremur mismunandi bragðtegundum á greiningarstað eftir að hafa ferðast um einhverja leiðarlengd - hlutfall mismunandi bragðástanda er háð breytum kerfisins. Þetta fyrirbæri er þekkt sem neutrino oscillation, sem gerir þessar örsmáu agnir mjög sérstakar!
Fræðilega séð er hægt að tjá hvert og eitt af daufkyrningabragð-eigindunum sem línulega samsetningu af öllum þremur massa-eigindunum og öfugt og blönduninni er hægt að lýsa með einingu fylki sem kallast Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) fylki (3,4 ,3). Hægt er að stilla þessa þrívíðu einingu blöndunarfylki með þremur blöndunarhornum og flóknum fasum. Af þessum flóknu fasum er nifteindasveifla aðeins næm fyrir einum áfanga, sem heitir 𝛿𝐶𝑃, og það er einstök uppspretta CP-brota í leptóngeiranum. 𝛿𝐶𝑃 getur tekið hvaða gildi sem er á bilinu −180° og 180°. Á meðan 𝛿𝐶𝑃=0,±180° þýðir að daufkyrninga og daufkyrninga hegða sér eins og CP er varðveitt, 𝛿𝐶𝑃=±90° gefur til kynna hámarks CP-brot í lepton-geiranum í staðlaða líkaninu. Sérhvert milligildi er vísbending um CP-brot á mismunandi stigum. Þess vegna mæling á 𝛿𝐶𝑃 er eitt mikilvægasta markmið eðlisfræðisamfélagsins í neutrino.
Mæling á sveiflustærðum
Nifteindir verða til í gnægð við kjarnahvörf, eins og í sólinni, öðrum stjörnum og sprengistjörnum. Þeir eru einnig framleiddir í lofthjúpi jarðar með samspili háorku geimgeisla við atómkjarna. Til að hafa hugmynd um nifteindaflæðið fara um 100 trilljónir í gegnum okkur á hverri sekúndu. En við gerum okkur ekki einu sinni grein fyrir því þar sem þau eru mjög veik í samskiptum. Þetta gerir það að verkum að mælingar á eiginleikum nifteinda við sveiflutilraunir nifteinda er mjög krefjandi!
Til að mæla þessar óviðráðanlegu agnir eru nifteindaskynjarar stórir, hafa kílótonna massa og tilraunir taka nokkur ár að ná tölfræðilega marktækum niðurstöðum. Vegna veikrar víxlverkana þeirra tók það vísindamennina um 25 ár að greina fyrsta nifteindið í tilraunaskyni eftir að Pauli setti fram tilvist þeirra árið 1932 til að útskýra varðveislu orku og hraða í kjarna-beta-hrun (sýnt á mynd (5)).
Vísindamenn hafa mælt öll þrjú blöndunarhornin með meira en 90% nákvæmni með 99.73% (3𝜎) öryggi (6). Tvö af blöndunarhornunum eru stór til að útskýra sveiflur sólar- og andrúmslofts nifteinda, þriðja hornið (sem heitir 𝜃13) er lítið, best passa gildi er um það bil 8.6°, og var mæld með tilraunum aðeins nýlega árið 2011 með reactor nitrino tilraun Daya-Bay í Kína. Í PMNS fylkinu er fasinn 𝛿𝐶𝑃 birtist aðeins í samsetningu synd𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, gera tilraunamælingar á 𝛿𝐶𝑃 erfiðleikar.
Færibreytan sem mælir magn CP-brots bæði í kvarki og daufkyrningageirum er kölluð Jarlskog invariant 𝐽𝐶𝑃 (7), sem er fall af blöndun horna og CP-brjótandi fasans. Fyrir kvarkageirann 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , en fyrir neutrino-geirann 𝐽𝐶𝑃~0.033 synd𝛿𝐶𝑃, og getur því verið allt að þremur stærðargráðum stærri en 𝐽𝐶𝑃 í kvarkageiranum, allt eftir verðmæti 𝛿𝐶𝑃.
Niðurstaða frá T2K – vísbending um að leysa ráðgátuna um ósamhverfu efnis og andefnis
Í langri grunnlínu nifteindasveiflutilraunarinnar T2K (Tokai-to-Kamioka í Japan), eru nitrinó- eða andneutríngeislar framleiddir í Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) og greindir í Water-Cerenkov skynjaranum í Super-Kamiokande, eftir að hafa ferðast 295 km vegalengd í gegnum jörðina. Þar sem þessi eldsneytisgjöf getur framleitt geisla af öðru hvoru 𝜈𝜇 eða mótefni hennar 𝜈̅𝜇, og skynjarinn getur greint 𝜈𝜇,𝜈𝑒 og andagnir þeirra 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, þeir hafa niðurstöður úr fjórum mismunandi sveifluferlum og geta framkvæmt greininguna til að fá skilvirk mörk á sveiflubreytunum. Hins vegar er CP-brjótandi fasinn 𝛿𝐶𝑃 birtist aðeins í því ferli þegar daufkyrninga breytir um bragð, þ.e. í sveiflunum 𝜈𝜇→𝜈𝑒 og 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – allur munur á þessum tveimur ferlum myndi fela í sér CP-brot í leptóngeiranum.
Í nýlegum samskiptum hefur T2K samstarfið greint frá áhugaverðum takmörkunum á CP-brotum í nifteindageiranum, þar sem gögnin sem safnað var á árunum 2009 og 2018 (8). Þessi nýja niðurstaða útilokaði um 42% af öllum mögulegum gildum á 𝛿𝐶𝑃. Meira um vert, tilvikið þegar CP er varðveitt hefur verið útilokað með 95% öryggi og á sama tíma virðist hámarks CP-brot vera ákjósanlegt í Nature.
Á sviði háorkueðlisfræði þarf 5𝜎 (þ.e. 99.999%) sjálfstraust til að gera tilkall til nýrrar uppgötvunar, þess vegna þarf næstu kynslóðar tilraunir til að fá nægilega tölfræði og meiri nákvæmni til að uppgötva CP-brjótastigið. Hins vegar er nýleg T2K niðurstaða veruleg þróun í átt að skilningi okkar á ósamhverfu efnis og andefnis Universe í gegnum CP-brotið í nifteindargeiranum, í fyrsta skipti.
***
Tilvísanir:
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''Brot á CP óbreytileika, C ósamhverfu og baryon ósamhverfu alheimsins''. Sovésk eðlisfræði Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Kynning á leptogenesis og eiginleikum daufkyrninga. Contemporary Physics Volume 53, 2012 – Issue 4 Bls 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. og Sakata S., 1962. Athugasemdir um sameinað líkan frumkorna. Progress of Theoretical Physics, 28. bindi, 5. tölublað, nóvember 1962, bls. 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. ANDVÆR BETA-FERLAR OG EKKI VÆÐSLA Á LEPTONHLEÐI. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (janúar, 1958). Í boði á netinu http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Skoðað 23. apríl 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-mínus Decay. [mynd á netinu] Fæst á https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Skoðað 23. apríl 2020.
6. Tanabashi M., o.fl. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) og 2019 uppfærsla. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog svarar. Phys. Séra Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. Takmörkun á efni-andefni samhverfu-brjótandi áfanga í nifteindarsveiflum. Náttúra bindi 580, bls.339–344(2020). Birt: 15. apríl 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
