न्यूट्रिनो दोलन प्रयोगहरूको साथ ब्रह्माण्डको पदार्थ-एन्टिमेटर असिमेट्रीको रहस्य अनावरण गर्दै

T2K, एक लामो-आधार रेखा neutrino जापानमा दोलन प्रयोग, हालसालै एक अवलोकन रिपोर्ट गरेको छ जहाँ तिनीहरूले आधारभूत भौतिक गुणहरू बीचको भिन्नताको बलियो प्रमाण पत्ता लगाएका छन्। neutrinos र सम्बन्धित एन्टिमेटर समकक्ष, एन्टि-न्यूट्रिनो। यो अवलोकनले विज्ञानको सबैभन्दा ठूलो रहस्यको व्याख्या गर्न संकेत गर्दछ - प्रभुत्वको लागि व्याख्या कुरा मा ब्रह्मांड एन्टिमेटरमाथि, र यसरी हाम्रो अस्तित्व।

यो कुरा-को एन्टिमेटर असममिति ब्रह्मांड

ब्रह्माण्ड विज्ञानको सिद्धान्त अनुसार, कणहरू र तिनीहरूका प्रतिकणहरू बिग-बैंगको समयमा विकिरणबाट जोडीमा उत्पादन भएका थिए। एन्टिपार्टिकल्स एन्टिमेटरहरू हुन् जसमा तिनीहरूको जस्तै लगभग समान भौतिक गुणहरू हुन्छन् कुरा विद्युतीय चार्ज र उल्टो चुम्बकीय गुणहरू बाहेक कणहरू अर्थात् कणहरू। यद्यपि, द ब्रह्मांड अवस्थित छ र केवल पदार्थबाट बनेको हो यसले संकेत गर्दछ कि बिग-ब्यांगको क्रममा केही पदार्थ-एन्टिमेटर सममिति टुटेको थियो, जसका कारण जोडीहरूले पूर्ण रूपमा विकिरण उत्पादन गर्दै नष्ट गर्न सकेनन्। भौतिकशास्त्रीहरू अझै पनि CP-सममिति उल्लङ्घनको हस्ताक्षरहरू खोजिरहेका छन्, जसले बारीमा प्रारम्भिक रूपमा टुटेको पदार्थ-एन्टिमेटर सममितिको व्याख्या गर्न सक्छ। ब्रह्मांड.

CP-सममिति दुई फरक सममितिहरूको उत्पादन हो - चार्ज-कन्जुगेशन (C) र समानता-रिभर्सल (P)। चार्ज-कन्जुगेशन C चार्ज गरिएको कणमा लागू गर्दा यसको चार्जको चिन्ह परिवर्तन हुन्छ, त्यसैले सकारात्मक रूपमा चार्ज गरिएको कण नकारात्मक रूपमा चार्ज हुन्छ र यसको उल्टो हुन्छ। C को कार्य अन्तर्गत तटस्थ कणहरू अपरिवर्तित रहन्छन्। समानता-रिभर्सल सममितिले यसले कार्य गरिरहेको कणको स्थानिय निर्देशांकहरूलाई उल्टाउँछ - त्यसैले दायाँ-हातको कण बायाँ-हात हुन्छ, जस्तै कि एक ऐनाको अगाडि उभिँदा के हुन्छ। अन्तमा, जब CP ले दायाँ-हातले नकारात्मक-चार्ज गरिएको कणमा कार्य गर्दछ, यो बायाँ-हात सकारात्मक-चार्ज गरिएको कणमा रूपान्तरण हुन्छ, जुन एन्टिपार्टिकल हो। यसरी कुरा र एन्टिमेटर CP-सममिति मार्फत एक अर्कासँग सम्बन्धित छन्। त्यसैले अवलोकन उत्पन्न गर्नको लागि CP उल्लङ्घन गरिएको हुनुपर्छ पदार्थ-विरोधक विषमता, जुन पहिलो पटक सन् १९६७ मा सखारोभले औंल्याएका थिए (१)।

CP-symmetry अन्तर्गत गुरुत्वाकर्षण, विद्युत चुम्बकीय र बलियो अन्तरक्रियाहरू अपरिवर्तनीय भएकाले, प्रकृतिमा CP-उल्लंघन खोज्ने एक मात्र ठाउँ क्वार्कहरू र/वा लेप्टनहरूको मामलामा हो, जसले कमजोर अन्तरक्रियाद्वारा अन्तरक्रिया गर्दछ। हालसम्म, क्वार्क-सेक्टरमा प्रयोगात्मक रूपमा CP-उल्लंघन मापन गरिएको छ, यद्यपि, यो अनुमानित असमानता उत्पन्न गर्न धेरै सानो छ। ब्रह्मांड। तसर्थ लेप्टन-क्षेत्रमा CP-उल्लंघन बुझ्न भौतिकशास्त्रीहरूको लागि विशेष चासोको कुरा हो। ब्रह्मांड। लेप्टोन-सेक्टरमा CP-उल्लंघन लेप्टोजेनेसिस (2) भनिने प्रक्रिया मार्फत पदार्थ-एन्टिमेटर असिमेट्री व्याख्या गर्न प्रयोग गर्न सकिन्छ।

न्युट्रिनो किन महत्त्वपूर्ण छन्?

neutrinos शून्य विद्युतीय चार्ज भएका प्रकृतिका सबैभन्दा सानो, विशाल कणहरू हुन्। विद्युत तटस्थ हुनु, neutrinos विद्युत चुम्बकीय अन्तरक्रिया हुन सक्दैन, र तिनीहरूसँग बलियो अन्तरक्रिया पनि हुँदैन। न्यूट्रिनोमा ०.१ eV (~ २ × १०-) को क्रमको सानो द्रव्यमान हुन्छ³⁷kg), त्यसैले गुरुत्वाकर्षण अन्तरक्रिया पनि धेरै कमजोर छ। एउटै बाटो neutrinos अन्य कणहरूसँग अन्तरक्रिया गर्न सक्छ छोटो दूरीको कमजोर अन्तरक्रिया मार्फत।

को यो कमजोर अन्तर्क्रियात्मक गुण neutrinosतथापि, तिनीहरूलाई टाढा खगोल भौतिक वस्तुहरू अध्ययन गर्न एक रोचक अनुसन्धान बनाउँछ। जबकि फोटानहरू पनि इन्टरस्टेलर माध्यममा अवस्थित धुलो, ग्यास कणहरू र पृष्ठभूमि विकिरणहरू द्वारा अस्पष्ट, फैलिएको र छरिएको हुन सक्छ, neutrinos प्रायः निर्बाध पार गर्न र पृथ्वीमा आधारित डिटेक्टरहरूमा पुग्न सक्छ। हालको परिप्रेक्ष्यमा, न्यूट्रिनो-क्षेत्र कमजोर रूपमा अन्तरक्रिया गर्ने भएकोले, CP-उल्लंघनमा योगदान गर्न सक्षम उम्मेद्वार हुन सक्छ।

न्यूट्रिनो दोलन र CP-उल्लंघन

त्यहाँ तीन प्रकारका न्यूट्रिनो (𝜈) - 𝜈 छन्_𝑒, 𝜈_𝜇 र 𝜈_𝜏 - प्रत्येक लेप्टन फ्लेभर्स इलेक्ट्रोन (ई), मुओन (𝜇) र टाउ (𝜏) सँग सम्बन्धित छ। न्यूट्रिनोहरू समान स्वादको चार्ज गरिएको लेप्टनसँगको सम्बन्धमा कमजोर अन्तरक्रियाहरू मार्फत स्वाद-इजेनस्टेट्सको रूपमा उत्पादन र पत्ता लगाइन्छ, जबकि तिनीहरू निश्चित द्रव्यमानहरू भएका राज्यहरूको रूपमा प्रचार गर्छन्, जसलाई मास-इजेनस्टेट्स भनिन्छ। यसरी स्रोतमा निश्चित स्वादको न्यूट्रिनो किरण केही पथ-लम्बाइको यात्रा पछि पत्ता लगाउने बिन्दुमा सबै तीन फरक स्वादहरूको मिश्रण बन्छ - विभिन्न स्वाद अवस्थाहरूको अनुपात प्रणालीको प्यारामिटरहरूमा निर्भर हुन्छ। यो घटनालाई न्यूट्रिनो दोलन भनिन्छ, जसले यी साना कणहरूलाई धेरै विशेष बनाउँछ!

सैद्धान्तिक रूपमा, प्रत्येक न्यूट्रिनो फ्लेवर-एइजेनस्टेटलाई तीनवटै द्रव्यमान-इजेनस्टेटहरूको रैखिक संयोजनको रूपमा व्यक्त गर्न सकिन्छ र यो मिश्रणलाई पोन्टेकोर्भो-माकी-नाकागावा-सकाटा (PMNS) म्याट्रिक्स (3,4) भनिने एकात्मक म्याट्रिक्सद्वारा वर्णन गर्न सकिन्छ। ,3)। यो XNUMX-आयामी एकात्मक मिश्रण म्याट्रिक्स तीन मिश्रण कोण र जटिल चरणहरू द्वारा parametrized गर्न सकिन्छ। यी जटिल चरणहरू मध्ये, न्युट्रिनो दोलन केवल एक चरणको लागि संवेदनशील छ, नाम 𝛿_𝐶𝑃, र यो लेप्टन-क्षेत्र मा CP-उल्लंघन को अद्वितीय स्रोत हो। 𝛿_𝐶𝑃 दायरा −180° र 180° मा कुनै पनि मान लिन सक्छ। जबकि 𝛿_𝐶𝑃=0, ±180° को मतलब न्यूट्रिनो र एन्टिन्यूट्रिनो समान रूपमा व्यवहार गर्छन् र CP संरक्षित छ, 𝛿_𝐶𝑃= ±90° ले मानक मोडेलको लेप्टन-सेक्टरमा अधिकतम CP-उल्लंघनलाई संकेत गर्दछ। कुनै पनि मध्यवर्ती मान विभिन्न डिग्रीहरूमा CP-उल्लंघनको सूचक हो। त्यसैले 𝛿 को मापन_𝐶𝑃 न्यूट्रिनो भौतिकी समुदायको सबैभन्दा महत्त्वपूर्ण लक्ष्यहरू मध्ये एक हो।

दोलन प्यारामिटरहरूको मापन

सूर्य, अन्य तारा र सुपरनोभामा जस्तै परमाणु प्रतिक्रियाहरूमा न्यूट्रिनो प्रशस्त मात्रामा उत्पादन गरिन्छ। तिनीहरू पृथ्वीको वायुमण्डलमा परमाणु नाभिकसँग उच्च-ऊर्जा ब्रह्माण्डीय किरणहरूको अन्तरक्रियाबाट पनि उत्पादन हुन्छन्। न्युट्रिनो फ्लक्सको कल्पना गर्न, प्रत्येक सेकेन्डमा लगभग 100 ट्रिलियनहरू हामीबाट गुजर्छन्। तर हामी यो महसुस गर्दैनौं किनभने तिनीहरू धेरै कमजोर रूपमा अन्तरक्रिया गरिरहेका छन्। यसले न्यूट्रिनो दोलन प्रयोगहरूको समयमा न्यूट्रिनो गुणहरूको मापनलाई साँच्चै चुनौतीपूर्ण काम बनाउँछ!

यी मायावी कणहरू मापन गर्न, न्यूट्रिनो डिटेक्टरहरू ठूला हुन्छन्, किलो-टन द्रव्यमान भएका र प्रयोगहरूले सांख्यिकीय रूपमा महत्त्वपूर्ण परिणामहरू प्राप्त गर्न धेरै वर्षहरू लिन्छन्। तिनीहरूको कमजोर अन्तरक्रियाका कारण, वैज्ञानिकहरूलाई पहिलो न्युट्रिनो प्रयोगात्मक रूपमा पत्ता लगाउन लगभग 25 वर्ष लाग्यो जब पाउलीले 1932 मा आणविक बिटा क्षय (चित्र (5) मा देखाइएको ऊर्जा-गति संरक्षणको व्याख्या गर्न आफ्नो उपस्थिति पोष्टिलेट गरे)।

वैज्ञानिकहरूले 90% (99.73𝜎) आत्मविश्वास (3) मा 6% भन्दा बढी परिशुद्धताका साथ सबै तीन मिश्रण कोणहरू मापन गरेका छन्। सौर्य र वायुमण्डलीय न्यूट्रिनोको दोलनलाई व्याख्या गर्न दुईवटा मिश्रण कोणहरू ठूला हुन्छन्, तेस्रो कोण (नाम 𝜃₁₃) सानो छ, सबै भन्दा राम्रो फिट मान लगभग 8.6° हो, र प्रयोगात्मक रूपमा मापन गरिएको थियो भर्खरै 2011 मा चीनमा रिएक्टर न्यूट्रिनो प्रयोग Daya-Bay द्वारा। PMNS म्याट्रिक्समा, चरण 𝛿_𝐶𝑃 संयोजन sin𝜃 मा मात्र देखिन्छ₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} 𝛿 को प्रयोगात्मक मापन गर्दै_𝐶𝑃 गाह्रो।

क्वार्क र न्युट्रिनो-सेक्टर दुवैमा CP-उल्लंघनको मात्रा परिमाण गर्ने प्यारामिटरलाई Jarlskog invariant भनिन्छ 𝐽_𝐶𝑃 (7), जो मिश्रण कोण र CP-उल्लंघन चरण को एक प्रकार्य हो। क्वार्क सेक्टरको लागि 𝐽_𝐶𝑃। ×~ × २^-5 , जबकि न्युट्रिनो-क्षेत्र को लागी 𝐽_𝐶𝑃~0.033 sin𝛿_𝐶𝑃, र यसरी 𝐽 भन्दा ठूलो परिमाणको तीन अर्डर सम्म हुन सक्छ_𝐶𝑃 क्वार्क-सेक्टरमा, 𝛿 को मानमा निर्भर गर्दछ_𝐶𝑃.

T2K बाट नतिजा - पदार्थ-एन्टिमेटर असिमेट्री को रहस्य समाधान गर्न को लागी एक संकेत

लामो-आधारभूत न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग T2K (जापानमा टोकाइ-टू-कामियोका), न्युट्रिनो वा एन्टिन्यूट्रिनो बीमहरू जापान प्रोटोन एक्सेलरेटर रिसर्च कम्प्लेक्स (J-PARC) मा उत्पन्न गरिन्छ र सुपर-कामियोकान्डेमा वाटर-सेरेनकोभ डिटेक्टरमा पत्ता लगाइन्छ। पृथ्वीको माध्यमबाट 295 किलोमिटरको यात्रा पछि। किनकि यो एक्सेलेटरले 𝜈 को बिम उत्पादन गर्न सक्छ_𝜇 वा यसको एन्टिपार्टिकल 𝜈̅𝜇, र डिटेक्टरले पत्ता लगाउन सक्छ 𝜈_𝜇,𝜈_𝑒 र तिनीहरूका एन्टिपार्टिकल्स 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, तिनीहरूसँग चार फरक दोलन प्रक्रियाहरूबाट परिणामहरू छन् र दोलन प्यारामिटरहरूमा कुशल सीमाहरू प्राप्त गर्न विश्लेषण गर्न सक्छन्। यद्यपि, CP- उल्लंघन चरण 𝛿_𝐶𝑃 प्रक्रियामा मात्र देखा पर्दछ जब न्युट्रिनोले स्वादहरू परिवर्तन गर्दछ अर्थात् दोलनहरूमा 𝜈𝜇→𝜈𝑒 र 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - यी दुई प्रक्रियाहरूमा कुनै भिन्नताले लेप्टन-सेक्टरमा CP-उल्लंघनलाई संकेत गर्दछ।

भर्खरको सञ्चारमा, T2K सहकार्यले 2009 र 2018 (8) को समयमा सङ्कलन गरिएको डाटाको विश्लेषण गर्दै, न्यूट्रिनो क्षेत्रमा CP-उल्लंघनमा रोचक सीमाहरू रिपोर्ट गरेको छ। यो नयाँ परिणामले 𝛿 को सबै सम्भावित मानहरूको लगभग 42% अस्वीकार गर्‍यो_𝐶𝑃। अझ महत्त्वपूर्ण कुरा, CP संरक्षित भएको अवस्थामा 95% आत्मविश्वासमा खारेज गरिएको छ, र एकै समयमा अधिकतम CP-उल्लंघनलाई प्रकृतिमा प्राथमिकता दिइन्छ।

उच्च-ऊर्जा भौतिक विज्ञानको क्षेत्रमा, नयाँ खोज दाबी गर्नको लागि 5𝜎 (अर्थात् 99.999%) आत्मविश्वास आवश्यक छ, त्यसैले CP-उल्लंघन चरणको खोजको लागि पर्याप्त तथ्याङ्क र उच्च परिशुद्धता प्राप्त गर्न अर्को पुस्ताका प्रयोगहरू आवश्यक छन्। यद्यपि भर्खरको T2K नतिजा हाम्रो कुरा-एन्टिमेटर असिमेट्रीको बुझाइमा महत्त्वपूर्ण विकास हो ब्रह्मांड न्यूट्रिनो-क्षेत्रमा CP-उल्लंघन मार्फत, पहिलो पटक।

***

सन्दर्भ:

1. सखारोभ, आन्द्रेई डी., 1991। ''CP invariance को उल्लङ्घन, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe''। सोभियत भौतिकी Uspekhi, 1991, 34 (5), 392-393। DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. लेप्टोजेनेसिस र न्यूट्रिनो गुणहरूको परिचय। समकालीन भौतिकी खण्ड 53, 2012 - अंक 4 पृष्ठ 315-338। DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. माकी जेड।, नाकागावा एम। र साकाटा एस।, 1962। प्राथमिक कणहरूको एकीकृत मोडेलमा टिप्पणी। सैद्धान्तिक भौतिकीको प्रगति, खण्ड 28, अंक 5, नोभेम्बर 1962, पृष्ठ 870-880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. इन्भर्स बिटा प्रक्रियाहरू र लेप्टन शुल्कको गैर-संरक्षण। जर्नल अफ एक्सपेरिमेन्टल एण्ड थ्योरेटिकल फिजिक्स (USSR) ३४, २४७-२४९ (जनवरी, १९५८)। अनलाइन उपलब्ध छ http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 अप्रिल 2020 मा पहुँच गरिएको।

5. इन्डक्टिवलोड, 2007. बीटा-माइनस क्षय। [छवि अनलाइन] मा उपलब्ध छ https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 अप्रिल 2020 मा पहुँच गरियो।

6. तानाबाशी एम., एट अल। (कण डेटा समूह), 2018। न्यूट्रिनो मास, मिक्सिङ, र दोलन, भौतिक। Rev. D98, 030001 (2018) र 2019 अपडेट। DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog जवाफ। फिज। रेभ. लेट। 57, 2875। DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. T2K कोलाबोरेसन, 2020। कुरामा अवरोध-न्युट्रिनो दोलनहरूमा एन्टिमेटर सममिति-उल्लंघन गर्ने चरण। प्रकृति खण्ड ५८०, पृष्ठ ३३९–३४४(२०२०)। प्रकाशित: १५ अप्रिल २०२०। DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***