كشف النقاب عن لغز عدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون من خلال تجارب تذبذب النيوترينو

T2K، خط الأساس الطويل نيوترينو أبلغت تجربة التذبذب في اليابان مؤخرًا عن ملاحظة حيث اكتشفوا دليلًا قويًا على وجود اختلاف بين الخصائص الفيزيائية الأساسية النيوترونات ونظير المادة المضادة المقابل، النيوترينوات المضادة. تشير هذه الملاحظة إلى تفسير أحد أكبر ألغاز العلم، وهو تفسير سيطرة الكون يهم في ال الكون على المادة المضادة، وبالتالي وجودنا ذاته.

• يهم-عدم تماثل المادة المضادة الكون

وفقًا لنظرية علم الكونيات، تم إنتاج الجسيمات وجسيماتها المضادة في أزواج من الإشعاع أثناء الانفجار الكبير. الجسيمات المضادة هي مواد مضادة لها نفس الخصائص الفيزيائية تقريبًا مثلها يهم نظائرها، أي الجسيمات، باستثناء الشحنة الكهربائية والخواص المغناطيسية التي تكون معكوسة. ومع ذلك، الكون يشير وجود وجود ومكون من مادة فقط إلى أن بعض تماثل المادة والمادة المضادة قد انكسر أثناء مسار الانفجار الكبير، ولهذا السبب لم تتمكن الأزواج من القضاء تمامًا على إنتاج الإشعاع مرة أخرى. لا يزال الفيزيائيون يبحثون عن بصمات انتهاك تناظر CP، والتي بدورها يمكن أن تفسر تناظر المادة والمادة المضادة المكسور في أوائل العصور القديمة. الكون.

تناظر CP هو نتاج تناظرين مختلفين - اقتران الشحنة (C) وعكس التكافؤ (P). يؤدي اقتران الشحنة C عند تطبيقه على جسيم مشحون إلى تغيير إشارة شحنته، وبالتالي يصبح الجسيم الموجب مشحونًا بشحنة سالبة والعكس صحيح. تظل الجسيمات المحايدة دون تغيير تحت تأثير C. يعكس تناظر التكافؤ الانعكاسي الإحداثيات المكانية للجسيم الذي يعمل عليه - لذلك يصبح الجسيم الأيمن أعسر، على غرار ما يحدث عندما يقف الشخص أمام المرآة. وأخيرًا، عندما يؤثر CP على جسيم أيمن سالب الشحنة، فإنه يتحول إلى جسيم أعسر موجب الشحنة، وهو الجسيم المضاد. هكذا يهم وترتبط المادة المضادة ببعضها البعض من خلال التماثل CP. ومن ثم، يجب أن يتم انتهاك CP من أجل توليد الملاحظة عدم تناسق المادة والمادة المضادةالتي أشار إليها ساخاروف لأول مرة في عام 1967 (1).

بما أن التفاعلات الجاذبية والكهرومغناطيسية وكذلك التفاعلات القوية ثابتة في ظل تناظر CP، فإن المكان الوحيد للبحث عن انتهاك CP في الطبيعة هو في حالة الكواركات و/أو اللبتونات، التي تتفاعل من خلال تفاعل ضعيف. حتى الآن، تم قياس انتهاك CP تجريبيًا في قطاع الكواركات، إلا أنه صغير جدًا بحيث لا يمكن توليد عدم التماثل المقدر لـ الكون. ومن ثم فإن فهم انتهاك الشحنة CP في قطاع اللبتون له أهمية خاصة للفيزيائيين لفهم وجود الإلكترون. الكون. يمكن استخدام انتهاك CP في قطاع الليبتون لتفسير عدم تناسق المادة والمادة المضادة من خلال عملية تسمى تكوين اللبتون (2).

لماذا تعتبر النيوترينوات مهمة؟

النيوترونات هي أصغر وأضخم جسيمات الطبيعة بدون شحنة كهربائية. كونها محايدة كهربائيا، النيوترونات لا يمكن أن يكون لديهم تفاعلات كهرومغناطيسية، وليس لديهم تفاعلات قوية أيضًا. تمتلك النيوترينوات كتلًا صغيرة تصل إلى 0.1 فولت (~ 2 × 10-³⁷كجم)، وبالتالي فإن تفاعل الجاذبية أيضًا ضعيف جدًا. الطريقة الوحيدة النيوترونات ويمكن أن تتفاعل مع الجسيمات الأخرى عن طريق تفاعلات ضعيفة قصيرة المدى.

هذه الخاصية ضعيفة التفاعل لـ النيوتروناتومع ذلك، يجعلها مسبارًا مثيرًا للاهتمام لدراسة الأجسام الفيزيائية الفلكية البعيدة. في حين أن الفوتونات يمكن أن تكون محجوبة ومنتشرة ومتناثرة بواسطة الغبار وجزيئات الغاز والإشعاعات الخلفية الموجودة في الوسط البينجمي، النيوترونات يمكن أن تمر في الغالب دون عوائق وتصل إلى أجهزة الكشف الأرضية. في السياق الحالي، نظرًا لتفاعله الضعيف، يمكن لقطاع النيوترينو أن يكون مرشحًا صالحًا للمساهمة في انتهاك CP.

تذبذب النيوترينو وانتهاك CP

هناك ثلاثة أنواع من النيوترينوات (𝜈) - 𝜈_𝑒، 𝜈_𝜇 و 𝜈_𝜏 - واحد مرتبط بكل إلكترون بنكهة لبتون (e)، وميون (𝜇)، وتاو (𝜏). يتم إنتاج النيوترينوات واكتشافها كحالات ذات نكهة محددة عبر تفاعلات ضعيفة مرتبطة باللبتون المشحون ذي النكهة المقابلة، في حين أنها تنتشر كحالات ذات كتل محددة، تسمى حالات ذاتية الكتلة. وبالتالي فإن شعاع النيوترينو ذو النكهة المحددة عند المصدر يصبح خليطًا من النكهات الثلاثة المختلفة عند نقطة الكشف بعد السفر عبر طول المسار - وتعتمد نسبة حالات النكهة المختلفة على معلمات النظام. تُعرف هذه الظاهرة باسم تذبذب النيوترينو، مما يجعل هذه الجسيمات الصغيرة مميزة جدًا!

من الناحية النظرية ، يمكن التعبير عن كل من eigenstates النكهة النيوترينية كمزيج خطي من جميع حالات eigenstates الثلاثة والعكس صحيح ويمكن وصف الخلط بمصفوفة وحدوية تسمى مصفوفة Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ، 3). يمكن تحديد معلمات مصفوفة الخلط الأحادية ثلاثية الأبعاد هذه بثلاث زوايا خلط ومراحل معقدة. من بين هذه المراحل المعقدة ، يكون تذبذب النيوترينو حساسًا لمرحلة واحدة فقط تسمى 𝛿_𝐶𝑃، وهو المصدر الفريد لانتهاك الإنتاج الأنظف في قطاع اللبتون. 𝛿_𝐶𝑃 يمكن أن تأخذ أي قيمة في النطاق −180 درجة و 180 درجة. بينما 𝛿_𝐶𝑃= 0 ، ± 180 درجة تعني أن النيوترينوات ومضادات النيترينوات تتصرف بشكل متماثل وأن CP محفوظة ، 𝛿_𝐶𝑃= ± 90 درجة تشير إلى حد أقصى لانتهاك CP في قطاع ليبتون من النموذج القياسي. أي قيمة وسيطة تدل على انتهاك CP بدرجات مختلفة. ومن ثم قياس 𝛿_𝐶𝑃 هو أحد أهم أهداف مجتمع فيزياء النيوترينو.

قياس معلمات التذبذب

يتم إنتاج النيوترينوات بكثرة أثناء التفاعلات النووية ، مثل تلك الموجودة في الشمس والنجوم الأخرى والمستعرات الأعظمية. يتم إنتاجها أيضًا في الغلاف الجوي للأرض من خلال تفاعل الأشعة الكونية عالية الطاقة مع نوى الذرة. للحصول على فكرة عن تدفق النيوترينو ، يمر حوالي 100 تريليون من خلالنا كل ثانية. لكننا لا ندرك ذلك لأن تفاعلهم ضعيف للغاية. هذا يجعل قياس خصائص النيوترينو أثناء تجارب تذبذب النيوترينو مهمة صعبة حقًا!

لقياس هذه الجسيمات المراوغة ، تكون أجهزة الكشف عن النيوترينو كبيرة ، وتبلغ كتلتها كيلو طن ، وتستغرق التجارب عدة سنوات لتحقيق نتائج ذات دلالة إحصائية. بسبب تفاعلاتهم الضعيفة ، استغرق العلماء حوالي 25 عامًا لاكتشاف النيوترينو الأول تجريبيًا بعد أن افترض باولي وجوده في عام 1932 لشرح الحفاظ على زخم الطاقة في تحلل بيتا النووي (كما هو موضح في الشكل (5)).

قام العلماء بقياس زوايا الخلط الثلاث بدقة تزيد عن 90٪ وبثقة 99.73٪ (3𝜎) (6). اثنتان من زاويتين كبيرتين لشرح تذبذبات نيوترينوات الغلاف الجوي والشمس ، الزاوية الثالثة (المسماة 𝜃₁₃) هي قيمة صغيرة ، وأفضل ملاءمة تبلغ حوالي 8.6 درجة ، وقد تم قياسها تجريبيًا مؤخرًا فقط في عام 2011 بواسطة تجربة نيوترينو المفاعل Daya-Bay في الصين. في مصفوفة PMNS ، المرحلة 𝛿_𝐶𝑃 يظهر فقط في مجموعة sin𝜃₁₃𝑒^{± 𝑖𝛿_𝐶𝑃,} إجراء قياس تجريبي لـ 𝛿_𝐶𝑃 صعوبة.

المعلمة التي تحدد مقدار انتهاك CP في كل من قطاعي الكوارك والنيوترينو تسمى ثابت Jarlskog 𝐽_𝐶𝑃 (7) ، وهي دالة لخلط الزوايا ومرحلة انتهاك CP. لقطاع الكوارك 𝐽_𝐶𝑃~ 3 × 10^-5 ، بينما بالنسبة لقطاع النيوترينو 𝐽_𝐶𝑃~ 0.033 خطيئة_𝐶𝑃، وبالتالي يمكن أن يصل حجمها إلى ثلاث درجات أكبر من 𝐽_𝐶𝑃 في قطاع كوارك ، اعتمادًا على قيمة 𝛿_𝐶𝑃.

نتيجة من T2K - تلميح نحو حل لغز عدم تناسق المادة والمادة المضادة

في تجربة تذبذب النيوترينو طويلة القاعدة T2K (توكاي إلى كاميوكا في اليابان) ، يتم إنشاء حزم نيوترينو أو مضادات النيترينو في مجمع أبحاث مسرع البروتون الياباني (J-PARC) واكتشافها في كاشف Water-Cerenkov في Super-Kamiokande ، بعد قطع مسافة 295 كم عبر الأرض. نظرًا لأن هذا المسرع يمكنه إنتاج حزم من أي من 𝜈_𝜇 أو الجسيم المضاد ، ويمكن للكاشف اكتشاف 𝜈_𝜇، 𝜈_𝑒 والجسيمات المضادة 𝜈̅𝜇 ، ، لديهم نتائج من أربع عمليات تذبذب مختلفة ويمكنهم إجراء التحليل للحصول على حدود فعالة لمعلمات التذبذب. ومع ذلك ، فإن مرحلة انتهاك CP 𝛿_𝐶𝑃 يظهر فقط في العملية عندما تغير النيوترينوات نكهاتها ، أي في التذبذبات 𝜈𝜇 → 𝜈𝑒 و 𝜈̅𝜇 → 𝜈̅𝑒 - أي اختلاف في هاتين العمليتين يعني انتهاك CP في قطاع ليبتون.

في اتصال حديث ، أبلغ تعاون T2K عن حدود مثيرة للاهتمام بشأن انتهاك CP في قطاع النيوترينو ، وتحليل البيانات التي تم جمعها خلال عامي 2009 و 2018 (8). استبعدت هذه النتيجة الجديدة حوالي 42٪ من جميع القيم الممكنة لـ 𝛿_𝐶𝑃. والأهم من ذلك ، أن الحالة التي يتم فيها الحفاظ على CP قد تم استبعادها بنسبة ثقة 95٪ ، وفي نفس الوقت يبدو أن الحد الأقصى لانتهاك CP مفضل في الطبيعة.

في مجال فيزياء الطاقة العالية، يلزم الحصول على ثقة 5𝜎 (أي 99.999%) للمطالبة باكتشاف جديد، وبالتالي فإن تجارب الجيل التالي مطلوبة للحصول على إحصائيات كافية ودقة أعلى لاكتشاف المرحلة التي تنتهك CP. ومع ذلك، فإن نتيجة T2K الأخيرة تمثل تطورًا مهمًا نحو فهمنا لعدم تناسق المادة والمادة المضادة في الكون الكون من خلال انتهاك CP في قطاع النيوترينو، لأول مرة.

***

المراجع:

1. ساخاروف ، أندريه د. ، 1991. "انتهاك ثبات CP ، وعدم تناسق C ، وعدم تناسق الباريون في الكون". الفيزياء السوفيتية Uspekhi ، 1991 ، 34 (5) ، 392-393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. باري باسكوال دي ، 2012. مقدمة لتكوين اللُحمة وخصائص النيوترينو. الفيزياء المعاصرة المجلد 53 ، 2012 - العدد 4 الصفحات 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z. ، Nakagawa M. and Sakata S. ، 1962. ملاحظات على النموذج الموحد للجسيمات الأولية. 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. العمليات التجريبية العكسية وعدم الحفاظ على رسوم LEPTON. مجلة الفيزياء التجريبية والنظرية (اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية) 34 ، 247-249 (يناير ، 1958). متوفر على الانترنت http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. تم الوصول إليه في 23 أبريل 2020.

5. Inductiveload، 2007. بيتا ناقص الاضمحلال. [صورة على الإنترنت] متوفر في https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. تم الوصول إليه في 23 أبريل 2020.

6. تاناباشي م وآخرون. (مجموعة بيانات الجسيمات) ، 2018. كتل النيوترينو وخلطها وتذبذباتها ، فيز. Rev. D98 و 030001 (2018) وتحديث 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog، C.، 1986. Jarlskog Responds. فيز. القس ليت. 57 ، 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. The T2K Collaboration ، 2020. القيد على المادة - طور انتهاك تناظر المادة المضادة في تذبذبات النيوترينو. حجم الطبيعة 580 ، الصفحات 339-344 (2020). تاريخ النشر: 15 أبريل 2020. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***