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 Universum over antimatter, and thus our very existence.
The matter-antimatter asymmetry of the Universum
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 Universum 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 Universum.
CP-Symmetrie ist das Produkt zweier unterschiedlicher Symmetrien – Ladungskonjugation (C) und Paritätsumkehr (P). Ladungskonjugation C, wenn sie auf ein geladenes Teilchen angewendet wird, ändert das Vorzeichen seiner Ladung, so dass ein positiv geladenes Teilchen negativ geladen wird und umgekehrt. Neutrale Teilchen bleiben unter der Wirkung von C unverändert. Die Paritätsumkehrsymmetrie kehrt die Raumkoordinaten des Teilchens, auf das sie einwirkt, um – ein rechtshändiges Teilchen wird also linkshändig, ähnlich wie wenn man vor einem Spiegel steht. Wenn CP schließlich auf ein rechtshändiges negativ geladenes Teilchen einwirkt, wird es in ein linkshändiges positiv geladenes Teilchen umgewandelt, das das Antiteilchen ist. Materie und Antimaterie sind also durch CP-Symmetrie miteinander verbunden. Daher muss CP verletzt worden sein, um das beobachtete zu erzeugen Materie-Antimaterie-Asymmetrie, auf die erstmals 1967 von Sacharow hingewiesen wurde (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 Universum. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the Universum. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
Warum sind die Neutrinos wichtig?
Neutrinos are the tiniest, massive particles of Nature with zero electric charge. Being electrically neutral, Neutrinos 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 Neutrinos can interact with other particles is through short-range weak interactions.
This weakly-interacting property of the Neutrinos, 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, Neutrinos 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.
Neutrino-Oszillation und CP-Verletzung
Es gibt drei Arten von Neutrinos (𝜈) – 𝜈𝑒,𝜇 und𝜏 – eine mit jedem Lepton verbundene Geschmacksrichtung Elektron (e), Myon (𝜇) und Tau (𝜏). Neutrinos werden als Flavour-Eigenzustände durch schwache Wechselwirkungen in Verbindung mit dem geladenen Lepton des entsprechenden Flavours erzeugt und nachgewiesen, während sie sich als Zustände mit bestimmten Massen, sogenannte Masseneigenzustände, ausbreiten. So wird ein Neutrinostrahl mit einer bestimmten Geschmacksrichtung an der Quelle am Ort der Detektion zu einer Mischung aller drei verschiedenen Geschmacksrichtungen, nachdem er eine gewisse Weglänge zurückgelegt hat – wobei der Anteil der verschiedenen Geschmackszustände von den Parametern des Systems abhängt. Dieses Phänomen ist als Neutrino-Oszillation bekannt und macht diese winzigen Teilchen zu etwas ganz Besonderem!
Theoretisch kann jeder der Neutrino-Aroma-Eigenzustände als Linearkombination aller drei Massen-Eigenzustände ausgedrückt werden und umgekehrt, und die Mischung kann durch eine unitäre Matrix namens Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS)-Matrix (3,4 .) beschrieben werden ,3). Diese XNUMX-dimensionale einheitliche Mischmatrix kann durch drei Mischwinkel und komplexe Phasen parametrisiert werden. Von diesen komplexen Phasen reagiert die Neutrino-Oszillation nur auf eine Phase namens 𝛿𝐶𝑃, und es ist die einzige Quelle der CP-Verletzung im Leptonen-Sektor. δ𝐶𝑃 kann jeden Wert im Bereich -180° und 180° annehmen. Während 𝛿𝐶𝑃=0,±180° bedeutet, dass sich Neutrinos und Antineutrinos identisch verhalten und CP erhalten bleibt, 𝛿𝐶𝑃=±90° zeigt eine maximale CP-Verletzung im Leptonen-Sektor des Standardmodells an. Jeder Zwischenwert weist auf eine CP-Verletzung unterschiedlichen Grades hin. Daher Messung von 𝛿𝐶𝑃 ist eines der wichtigsten Ziele der Neutrinophysik-Community.
Messung von Schwingungsparametern
Neutrinos werden bei Kernreaktionen wie in der Sonne, anderen Sternen und Supernovae im Überfluss produziert. Sie entstehen auch in der Erdatmosphäre durch die Wechselwirkung der hochenergetischen kosmischen Strahlung mit Atomkernen. Um eine Vorstellung vom Neutrinofluss zu bekommen, passieren uns jede Sekunde etwa 100 Billionen. Aber wir merken es nicht einmal, da sie sehr schwach interagieren. Dies macht die Messung der Neutrinoeigenschaften während der Neutrino-Oszillationsexperimente zu einer wirklich anspruchsvollen Aufgabe!
Um diese schwer fassbaren Teilchen zu messen, sind Neutrino-Detektoren groß, haben eine Masse von Kilotonnen, und Experimente dauern mehrere Jahre, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen. Wegen ihrer schwachen Wechselwirkungen brauchten die Wissenschaftler etwa 25 Jahre, um das erste Neutrino experimentell nachzuweisen, nachdem Pauli seine Anwesenheit 1932 postulierte, um die Energie-Impuls-Erhaltung beim nuklearen Betazerfall zu erklären (in Abbildung (5) gezeigt).
Wissenschaftler haben alle drei Mischwinkel mit einer Genauigkeit von mehr als 90 % bei einer Zuverlässigkeit von 99.73 % (3𝜎) gemessen (6). Zwei der Mischungswinkel sind groß, um die Schwingungen solarer und atmosphärischer Neutrinos zu erklären, der dritte Winkel (genannt 𝜃13) ist klein, der Best-Fit-Wert beträgt etwa 8.6° und wurde erst kürzlich im Jahr 2011 experimentell vom Reaktor-Neutrino-Experiment Daya-Bay in China gemessen. In der PMNS-Matrix ist die Phase 𝛿𝐶𝑃 erscheint nur in der Kombination sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, Durchführung einer experimentellen Messung von 𝛿𝐶𝑃 schwer.
Der Parameter, der das Ausmaß der CP-Verletzung sowohl im Quark- als auch im Neutrino-Sektor quantifiziert, heißt Jarlskog-Invariante 𝐽𝐶𝑃 (7), die eine Funktion der Mischwinkel und der CP-verletzenden Phase ist. Für den Quark-Sektor 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , während für den Neutrino-Sektor 𝐽𝐶𝑃~0.033 Sünde𝛿𝐶𝑃, und kann somit bis zu drei Größenordnungen größer sein als 𝐽𝐶𝑃 im Quark-Sektor, abhängig vom Wert von 𝛿𝐶𝑃.
Ergebnis aus T2K – ein Hinweis zur Lösung des Rätsels der Materie-Antimaterie-Asymmetrie
Im Long-Baseline-Neutrino-Oszillationsexperiment T2K (Tokai-to-Kamioka in Japan) werden Neutrino- oder Antineutrinostrahlen am Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) erzeugt und am Water-Cerenkov-Detektor am Super-Kamiokande nachgewiesen. nach einer Reise von 295 km durch die Erde. Da dieser Beschleuniger Strahlen von entweder 𝜈𝜇 oder sein Antiteilchen 𝜈̅𝜇, und der Detektor kann 𝜈𝜇,𝜈𝑒 und ihren Antiteilchen 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒 haben sie Ergebnisse aus vier verschiedenen Schwingungsprozessen und können die Analyse durchführen, um effiziente Schranken für die Schwingungsparameter zu erhalten. Die CP-verletzende Phase 𝛿𝐶𝑃 tritt nur in dem Prozess auf, wenn Neutrinos Geschmacksrichtungen ändern, dh in den Oszillationen 𝜈𝜇→𝜈𝑒 und 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 – jeder Unterschied in diesen beiden Prozessen würde eine CP-Verletzung im Leptonen-Sektor implizieren.
In einer kürzlich veröffentlichten Mitteilung hat die T2K-Kollaboration interessante Grenzen der CP-Verletzung im Neutrinosektor gemeldet und die in den Jahren 2009 und 2018 gesammelten Daten analysiert (8). Dieses neue Ergebnis schloss etwa 42% aller möglichen Werte von 𝛿 . aus𝐶𝑃. Noch wichtiger ist, dass der Fall, in dem CP konserviert ist, mit 95 % Vertrauen ausgeschlossen wurde, und gleichzeitig scheint eine maximale CP-Verletzung in der Natur bevorzugt zu werden.
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 Universum through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
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References:
1. Sacharow, Andrei D., 1991. ''Verletzung der CP-Invarianz, C-Asymmetrie und Baryonenasymmetrie des Universums''. Sowjetische Physik Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. Eine Einführung in die Leptogenese und Neutrinoeigenschaften. Zeitgenössische Physik Band 53, 2012 – Ausgabe 4 Seiten 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. und Sakata S., 1962. Bemerkungen zum vereinheitlichten Modell der Elementarteilchen. Progress of Theoretical Physics, Band 28, Ausgabe 5, November 1962, Seiten 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. INVERSE BETA-PROZESSE UND NICHTERHALTUNG DER LEPTON-LADUNG. Journal of Experimental and Theoretical Physics (UdSSR) 34, 247-249 (Januar 1958). Online verfügbar http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Zugriff am 23. April 2020.
5. Induktive Last, 2007. Beta-minus-Zerfall. [Bild online] Erhältlich bei https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Abgerufen am 23. April 2020.
6. TanabashiM., et al. (Particle Data Group), 2018. Neutrino Masses, Mixing, and Oscillations, Phys. Rev. D98, 030001 (2018) und 2019-Update. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog antwortet. Phys. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. Die T2K-Kollaboration, 2020. Einschränkung der symmetrieverletzenden Phase von Materie-Antimaterie in Neutrino-Oszillationen. Nature Band 580, Seiten 339–344 (2020). Veröffentlicht: 15. April 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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