Αποκαλύπτοντας το μυστήριο της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης του σύμπαντος με πειράματα ταλάντωσης νετρίνων

T2K, a long-baseline neutrino oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of neutrinos and that of the corresponding antimatter counterpart, anti-neutrinos. This observation hints at explaining one of the biggest mysteries of science – an explanation for the domination of matter in the Σύμπαν over antimatter, and thus our very existence.

The matter-antimatter asymmetry of the Σύμπαν

According to the theory of Cosmology, particles and their antiparticles were produced in pairs from radiation during Big-Bang. Antiparticles are antimatters having nearly same physical properties as their matter counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the Σύμπαν exists and is made up of only matter indicates that some matter-antimatter symmetry was broken during the course of Big-Bang, because of which the pairs could not annihilate completely producing radiation again. Physicists are still looking for signatures of CP-symmetry violation, which in turn can explain the broken matter-antimatter symmetry in the early Σύμπαν.

Η συμμετρία CP είναι το γινόμενο δύο διαφορετικών συμμετριών - σύζευξης φορτίου (C) και αντιστροφής ισοτιμίας (P). Η σύζευξη φορτίου C όταν εφαρμόζεται σε ένα φορτισμένο σωματίδιο αλλάζει το πρόσημο του φορτίου του, έτσι ένα θετικά φορτισμένο σωματίδιο γίνεται αρνητικά φορτισμένο και το αντίστροφο. Τα ουδέτερα σωματίδια παραμένουν αμετάβλητα υπό τη δράση του C. Η συμμετρία αντιστροφής ισοτιμίας αντιστρέφει τις χωρικές συντεταγμένες του σωματιδίου πάνω στο οποίο ενεργεί – έτσι ένα δεξιόστροφο σωματίδιο γίνεται αριστερόχειρας, παρόμοιο με αυτό που συμβαίνει όταν κάποιος στέκεται μπροστά σε έναν καθρέφτη. Τέλος, όταν το CP δρα σε ένα δεξιόστροφο αρνητικά φορτισμένο σωματίδιο, αυτό μετατρέπεται σε ένα αριστερόστροφο θετικά φορτισμένο, το οποίο είναι το αντισωματίδιο. Έτσι η ύλη και η αντιύλη σχετίζονται μεταξύ τους μέσω της CP-συμμετρίας. Ως εκ τούτου, το CP πρέπει να έχει παραβιαστεί για να δημιουργηθεί το παρατηρούμενο ασυμμετρία ύλης-αντιύλης, το οποίο επεσήμανε για πρώτη φορά ο Ζαχάρωφ το 1967 (1).

Since gravitational, electromagnetic as well as strong interactions are invariant under CP-symmetry, the only place to look for CP-violation in Nature is in case of quarks and/or leptons, that interact through weak interaction. Until now, CP-violation has been measured experimentally in the quark-sector, however, it is too small to generate the estimated asymmetry of the Σύμπαν. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the Σύμπαν. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).

Γιατί είναι σημαντικά τα νετρίνα;

νετρίνα are the tiniest, massive particles of Nature with zero electric charge. Being electrically neutral, νετρίνα cannot have electromagnetic interactions, and they do not have strong interactions either. Neutrinos have tiny masses of the order of 0.1 eV (~ 2 × 10-³⁷kg), hence gravitational interaction is also very weak. The only way νετρίνα can interact with other particles is through short-range weak interactions.

This weakly-interacting property of the νετρίνα, however, makes them an interesting probe to study far away astrophysical objects. While even photons can be obscured, diffused and scattered by the dust, gas particles and background radiations present in the interstellar medium, νετρίνα can pass mostly unhindered and reach the Earth-based detectors. In the current context, being weakly-interacting, neutrino-sector can be a viable candidate to contribute to the CP-violation.

Ταλάντωση νετρίνου και παραβίαση CP

Υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων (𝜈) – 𝜈_𝑒, 𝜈_μ και 𝜈_𝜏 – one associated with each lepton flavours electron (e), muon (𝜇) and tau (𝜏). Neutrinos are produced and detected as flavour-eigenstates via weak interactions in association with the charged lepton of corresponding flavour, while they propagate as states with definite masses, called mass-eigenstates. Thus a neutrino beam of definite flavour at the source becomes a mixture of all three different flavours at the point of detection after travelling through some path-length – the proportion of different flavour states being dependent on parameters of the system. This phenomenon is known as neutrino oscillation, which makes these tiny particles very special!

Θεωρητικά, καθεμία από τις ιδιοκαταστάσεις γεύσης νετρίνων μπορεί να εκφραστεί ως γραμμικός συνδυασμός και των τριών ιδιοκαταστάσεων μάζας και αντίστροφα και η ανάμειξη μπορεί να περιγραφεί από μια ενιαία μήτρα που ονομάζεται μήτρα Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Αυτή η τρισδιάστατη ενιαία μήτρα ανάμειξης μπορεί να παραμετροποιηθεί με τρεις γωνίες ανάμειξης και σύνθετες φάσεις. Από αυτές τις πολύπλοκες φάσεις, η ταλάντωση των νετρίνων είναι ευαίσθητη μόνο σε μία φάση, που ονομάζεται 𝛿_𝐶𝑃, και είναι η μοναδική πηγή παραβίασης CP στον τομέα των λεπτονίων. 𝛿_𝐶𝑃 μπορεί να πάρει οποιαδήποτε τιμή στην περιοχή −180° και 180°. Ενώ 𝛿_𝐶𝑃=0,±180° σημαίνει ότι τα νετρίνα και τα αντινετρίνα συμπεριφέρονται πανομοιότυπα και το CP διατηρείται, 𝛿_𝐶𝑃=±90° υποδηλώνει μια μέγιστη παραβίαση CP στον τομέα λεπτονίων του Καθιερωμένου Μοντέλου. Οποιαδήποτε ενδιάμεση τιμή είναι ενδεικτική παραβίασης CP σε διαφορετικούς βαθμούς. Ως εκ τούτου μέτρηση του 𝛿_𝐶𝑃 είναι ένας από τους πιο σημαντικούς στόχους της κοινότητας της φυσικής των νετρίνων.

Μέτρηση παραμέτρων ταλάντωσης

Τα νετρίνα παράγονται σε αφθονία κατά τη διάρκεια πυρηνικών αντιδράσεων, όπως αυτά στον Ήλιο, σε άλλα αστέρια και σε σουπερνόβα. Παράγονται επίσης στην ατμόσφαιρα της Γης μέσω της αλληλεπίδρασης των κοσμικών ακτίνων υψηλής ενέργειας με τους ατομικούς πυρήνες. Για να έχουμε μια ιδέα της ροής των νετρίνων, περίπου 100 τρισεκατομμύρια περνούν από μέσα μας κάθε δευτερόλεπτο. Αλλά δεν το καταλαβαίνουμε καν αφού αλληλεπιδρούν πολύ αδύναμα. Αυτό κάνει τη μέτρηση των ιδιοτήτων των νετρίνων κατά τη διάρκεια των πειραμάτων ταλάντωσης νετρίνων μια πραγματικά προκλητική δουλειά!

Για να μετρηθούν αυτά τα άπιαστα σωματίδια, οι ανιχνευτές νετρίνων είναι μεγάλοι, έχουν κιλά-τόνους μάζας και τα πειράματα χρειάζονται αρκετά χρόνια για να επιτευχθούν στατιστικά σημαντικά αποτελέσματα. Λόγω των αδύναμων αλληλεπιδράσεων τους, οι επιστήμονες χρειάστηκαν περίπου 25 χρόνια για να ανιχνεύσουν πειραματικά το πρώτο νετρίνο αφού ο Pauli υπέθεσε την παρουσία τους το 1932 για να εξηγήσει τη διατήρηση της ενέργειας-ορμής στην πυρηνική διάσπαση βήτα (φαίνεται στο σχήμα (5)).

Οι επιστήμονες έχουν μετρήσει και τις τρεις γωνίες ανάμειξης με μεγαλύτερη από 90% ακρίβεια σε 99.73% (3𝜎) εμπιστοσύνη (6). Δύο από τις γωνίες ανάμειξης είναι μεγάλες για να εξηγήσουν τις ταλαντώσεις των ηλιακών και ατμοσφαιρικών νετρίνων, η τρίτη γωνία (ονομάζεται 𝜃₁₃) είναι μικρή, η καλύτερη τιμή προσαρμογής είναι περίπου 8.6° και μετρήθηκε πειραματικά μόλις πρόσφατα το 2011 από το πείραμα νετρίνων του αντιδραστήρα Daya-Bay στην Κίνα. Στον πίνακα PMNS, η φάση 𝛿_𝐶𝑃 εμφανίζεται μόνο στον συνδυασμό sin𝜃₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} κάνοντας πειραματική μέτρηση του 𝛿_𝐶𝑃 δύσκολος.

Η παράμετρος που ποσοτικοποιεί την ποσότητα παραβίασης CP τόσο σε τομείς κουάρκ όσο και σε τομείς νετρίνων ονομάζεται αναλλοίωτη Jarlskog 𝐽_𝐶𝑃 (7), η οποία είναι συνάρτηση των γωνιών ανάμειξης και της φάσης παραβίασης CP. Για τον τομέα των κουάρκ 𝐽_𝐶𝑃~ 3 × 10^-5 , ενώ για τον τομέα των νετρίνων 𝐽_𝐶𝑃~0.033 αμαρτία𝛿_𝐶𝑃, και έτσι μπορεί να είναι έως και τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερο από το 𝐽_𝐶𝑃 στον τομέα του κουάρκ, ανάλογα με την τιμή του 𝛿_𝐶𝑃.

Αποτέλεσμα από το T2K – μια υπόδειξη για την επίλυση του μυστηρίου της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης

Στο πείραμα ταλάντωσης νετρίνων μακράς γραμμής βάσης T2K (Tokai-to-Kamioka στην Ιαπωνία), οι δέσμες νετρίνων ή αντινετρίνων δημιουργούνται στο Ιαπωνικό Ερευνητικό Σύμπλεγμα Επιταχυντή Πρωτονίων (J-PARC) και ανιχνεύονται στον ανιχνευτή Water-Cerenkov στο Super-Kamiokande. αφού διανύσει απόσταση 295 χιλιομέτρων μέσω της Γης. Δεδομένου ότι αυτός ο επιταχυντής μπορεί να παράγει δέσμες από τα δύο 𝜈_μ ή το αντισωματίδιο του 𝜈̅𝜇 και ο ανιχνευτής μπορεί να ανιχνεύσει 𝜈_μ,𝜈_𝑒 και τα αντισωματίδια τους 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, έχουν αποτελέσματα από τέσσερις διαφορετικές διεργασίες ταλάντωσης και μπορούν να εκτελέσουν την ανάλυση για να βρουν αποτελεσματικά όρια στις παραμέτρους ταλάντωσης. Ωστόσο, η φάση παραβίασης CP 𝛿_𝐶𝑃 εμφανίζεται μόνο στη διαδικασία όταν τα νετρίνα αλλάζουν γεύσεις, π.χ. στις ταλαντώσεις 𝜈𝜇→𝜈𝑒 και 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - οποιαδήποτε διαφορά σε αυτές τις δύο διαδικασίες θα συνεπαγόταν παραβίαση CP στον τομέα των λεπτονίων.

Σε μια πρόσφατη ανακοίνωση, η συνεργασία T2K ανέφερε ενδιαφέροντα όρια για την παραβίαση CP στον τομέα των νετρίνων, αναλύοντας τα δεδομένα που συλλέχθηκαν το 2009 και το 2018 (8). Αυτό το νέο αποτέλεσμα απέκλεισε περίπου το 42% όλων των πιθανών τιμών του 𝛿_𝐶𝑃. Το πιο σημαντικό είναι ότι η περίπτωση διατήρησης της CP έχει αποκλειστεί σε 95% εμπιστοσύνη, και ταυτόχρονα η μέγιστη παραβίαση της CP φαίνεται να προτιμάται στη Φύση.

In the field of high-energy physics, a 5𝜎 (i.e. 99.999%) confidence is required for claiming a new discovery, therefore next generation experiments are required to get sufficient statistics and higher precision for the discovery of the CP-violating phase. However recent T2K result is a significant development towards our understanding of the matter-antimatter asymmetry of the Σύμπαν through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.

***

αναφορές:

1. Sakharov,Andrei D., 1991. ''Παραβίαση της CP invariance, C asymmetry, and baryon asymmetry of the universe''. Σοβιετική Φυσική Ουσπέχι, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Μια εισαγωγή στη λεπτογένεση και τις ιδιότητες των νετρίνων. Contemporary Physics Τόμος 53, 2012 – Τεύχος 4 Σελίδες 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. and Sakata S., 1962. Παρατηρήσεις για το ενοποιημένο μοντέλο των στοιχειωδών σωματιδίων. Progress of Theoretical Physics, Volume 28, Issue 5, November 1962, Pages 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. ΑΝΤΙΣΤΡΟΦΕΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΕΣ ΒΗΤΑ ΚΑΙ ΜΗ ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΟΥ ΦΟΡΤΙΟΥ LEPTON. Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249 (Ιανουάριος, 1958). Διαθέσιμο στο διαδίκτυο http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Πρόσβαση στις 23 Απριλίου 2020.

5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [εικόνα online] Διαθέσιμο στο https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Πρόσβαση στις 23 Απριλίου 2020.

6. Tanabashi Μ., et al. (Particle Data Group), 2018. Νετρίνο Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Αναθ. D98, 030001 (2018) και ενημέρωση 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog Responds. Phys. Αναθ. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. The T2K Collaboration, 2020. Περιορισμός στη φάση παραβίασης της συμμετρίας ύλης-αντιύλης στις ταλαντώσεις νετρίνων. Nature τόμος 580, σελίδες 339–344 (2020). Δημοσιεύθηκε: 15 Απριλίου 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***