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

T2K, μια μεγάλη γραμμή βάσης νετρίνο πείραμα ταλάντωσης στην Ιαπωνία, ανέφερε πρόσφατα μια παρατήρηση όπου ανίχνευσαν ισχυρές ενδείξεις διαφοράς μεταξύ των θεμελιωδών φυσικών ιδιοτήτων του νετρίνα και αυτό του αντίστοιχου αντιύλης, των αντινετρίνων. Αυτή η παρατήρηση υπονοεί την εξήγηση ενός από τα μεγαλύτερα μυστήρια της επιστήμης - μια εξήγηση για την κυριαρχία του ύλη στο Σύμπαν πάνω από την αντιύλη, και συνεπώς την ίδια μας την ύπαρξη.

Η ύλη-αντιύλη ασυμμετρία του Σύμπαν

Σύμφωνα με τη θεωρία της Κοσμολογίας, τα σωματίδια και τα αντισωματίδια τους παρήχθησαν σε ζεύγη από ακτινοβολία κατά τη διάρκεια του Big-Bang. Τα αντισωματίδια είναι αντιύλη που έχουν σχεδόν τις ίδιες φυσικές ιδιότητες με αυτές ύλη τα αντίστοιχα σωματίδια, εκτός από το ηλεκτρικό φορτίο και τις μαγνητικές ιδιότητες που αντιστρέφονται. Ωστόσο, το Σύμπαν υπάρχει και αποτελείται μόνο από ύλη υποδηλώνει ότι κάποια συμμετρία ύλης-αντιύλης διασπάστηκε κατά τη διάρκεια της Μεγάλης Έκρηξης, εξαιτίας της οποίας τα ζεύγη δεν μπορούσαν να εκμηδενίσουν εντελώς και πάλι παράγοντας ακτινοβολία. Οι φυσικοί εξακολουθούν να αναζητούν υπογραφές παραβίασης συμμετρίας CP, κάτι που με τη σειρά του μπορεί να εξηγήσει τη διακεκομμένη συμμετρία ύλης-αντιύλης στην αρχή 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, μετατρέπεται σε ένα αριστερόστροφο θετικά φορτισμένο, το οποίο είναι το αντισωματίδιο. Ετσι 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).

Δεδομένου ότι οι βαρυτικές, οι ηλεκτρομαγνητικές καθώς και οι ισχυρές αλληλεπιδράσεις είναι αμετάβλητες υπό τη συμμετρία CP, το μόνο μέρος για να αναζητήσετε παραβίαση CP στη Φύση είναι στην περίπτωση κουάρκ και/ή λεπτονίων, που αλληλεπιδρούν μέσω ασθενούς αλληλεπίδρασης. Μέχρι τώρα, η παραβίαση CP έχει μετρηθεί πειραματικά στον τομέα του κουάρκ, ωστόσο, είναι πολύ μικρή για να δημιουργήσει την εκτιμώμενη ασυμμετρία του Σύμπαν. Ως εκ τούτου, η κατανόηση της παραβίασης CP στον τομέα των λεπτονίων έχει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τους Φυσικούς να κατανοήσουν την ύπαρξη του Σύμπαν. Η παραβίαση CP στον τομέα των λεπτονίων μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να εξηγήσει την ασυμμετρία ύλης-αντιύλης μέσω μιας διαδικασίας που ονομάζεται λεπτογένεση (2).

Γιατί είναι σημαντικά τα νετρίνα;

νετρίνα είναι τα πιο μικροσκοπικά, ογκώδη σωματίδια της Φύσης με μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο. Όντας ηλεκτρικά ουδέτερο, νετρίνα δεν μπορούν να έχουν ηλεκτρομαγνητικές αλληλεπιδράσεις, ούτε έχουν ισχυρές αλληλεπιδράσεις. Τα νετρίνα έχουν μικροσκοπικές μάζες της τάξης των 0.1 eV (~ 2 × 10-³⁷kg), επομένως η βαρυτική αλληλεπίδραση είναι επίσης πολύ ασθενής. Ο μόνος τρόπος νετρίνα μπορεί να αλληλεπιδράσει με άλλα σωματίδια είναι μέσω αδύναμων αλληλεπιδράσεων μικρής εμβέλειας.

Αυτή η ασθενώς αλληλεπιδρούσα ιδιότητα του νετρίνα, ωστόσο, τα καθιστά ένα ενδιαφέρον ανιχνευτή για τη μελέτη μακρινών αστροφυσικών αντικειμένων. Ενώ ακόμη και τα φωτόνια μπορούν να καλυφθούν, να διαχέονται και να σκεδάζονται από τη σκόνη, τα σωματίδια αερίων και τις ακτινοβολίες υποβάθρου που υπάρχουν στο διαστρικό μέσο, νετρίνα μπορεί να περάσει ως επί το πλείστον ανεμπόδιστα και να φτάσει στους ανιχνευτές που βασίζονται στη Γη. Στο τρέχον πλαίσιο, όντας ασθενώς αλληλεπιδρώντας, ο τομέας των νετρίνων μπορεί να είναι ένας βιώσιμος υποψήφιος για να συμβάλει στην παραβίαση της CP.

Ταλάντωση νετρίνου και παραβίαση CP

Υπάρχουν τρεις τύποι νετρίνων (𝜈) – 𝜈_𝑒, 𝜈_μ και 𝜈_𝜏 – ένα που σχετίζεται με κάθε λεπτόνιο αρωματίζει το ηλεκτρόνιο (e), το μιόνιο (𝜇) και το ταυ (𝜏). Τα νετρίνα παράγονται και ανιχνεύονται ως ιδιοκαταστάσεις γεύσης μέσω ασθενών αλληλεπιδράσεων σε συνδυασμό με το φορτισμένο λεπτόνιο της αντίστοιχης γεύσης, ενώ διαδίδονται ως καταστάσεις με καθορισμένες μάζες, που ονομάζονται ιδιοκαταστάσεις μάζας. Έτσι, μια δέσμη νετρίνων καθορισμένης γεύσης στην πηγή γίνεται ένα μείγμα και των τριών διαφορετικών γεύσεων στο σημείο ανίχνευσης αφού ταξιδέψει σε κάποιο μήκος διαδρομής – η αναλογία των διαφορετικών γευστικών καταστάσεων εξαρτάται από τις παραμέτρους του συστήματος. Αυτό το φαινόμενο είναι γνωστό ως ταλάντωση νετρίνων, που κάνει αυτά τα μικροσκοπικά σωματίδια πολύ ξεχωριστά!

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.

Στον τομέα της φυσικής υψηλής ενέργειας, απαιτείται εμπιστοσύνη 5𝜎 (δηλαδή 99.999%) για τη διεκδίκηση μιας νέας ανακάλυψης, επομένως απαιτούνται πειράματα επόμενης γενιάς για να ληφθούν επαρκή στατιστικά στοιχεία και μεγαλύτερη ακρίβεια για την ανακάλυψη της φάσης παραβίασης CP. Ωστόσο, το πρόσφατο αποτέλεσμα T2K είναι μια σημαντική εξέλιξη προς την κατανόηση της ασυμμετρίας ύλης-αντιύλης του Σύμπαν μέσω της παραβίασης CP στον τομέα των νετρίνων, για πρώτη φορά.

***

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

***