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Das Geheimnis der Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums mit Neutrino-Oszillationsexperimenten enthüllen

WISSENSCHAFTENPHYSIKDas Geheimnis der Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums mit Neutrino-Oszillationsexperimenten enthüllen

T2K, ein Long-Baseline-Neutrino-Oszillations-Experiment in Japan, hat kürzlich eine Beobachtung gemeldet, bei der ein starker Beweis für einen Unterschied zwischen den grundlegenden physikalischen Eigenschaften von Neutrinos und denen des entsprechenden Antimaterie-Gegenstücks, Anti-Neutrinos, nachgewiesen wurde. Diese Beobachtung deutet auf die Erklärung eines der größten Mysterien der Wissenschaft hin – eine Erklärung für die Vorherrschaft der Materie im Universum über die Antimaterie und damit unsere Existenz.

Die Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums

Nach der Theorie der Kosmologie wurden während des Urknalls Teilchen und ihre Antiteilchen paarweise aus Strahlung erzeugt. Antiteilchen sind Antimaterie mit nahezu denselben physikalischen Eigenschaften wie ihre materiellen Gegenstücke, dh Teilchen, mit Ausnahme der umgekehrten elektrischen Ladung und magnetischen Eigenschaften. Das Universum existiert jedoch und besteht nur aus Materie, was darauf hindeutet, dass im Verlauf des Urknalls eine gewisse Materie-Antimaterie-Symmetrie gebrochen wurde, wodurch die Paare nicht wieder vollständig vernichten konnten, indem sie Strahlung wieder produzierten. Physiker suchen immer noch nach Signaturen einer CP-Symmetrieverletzung, die wiederum die gebrochene Materie-Antimaterie-Symmetrie im frühen Universum erklären kann.

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).

Da gravitative, elektromagnetische sowie starke Wechselwirkungen unter CP-Symmetrie invariant sind, kann man in der Natur nur bei Quarks und/oder Leptonen nach CP-Verletzungen suchen, die durch schwache Wechselwirkung wechselwirken. Bisher wurde CP-Verletzung im Quark-Sektor experimentell gemessen, sie ist jedoch zu klein, um die geschätzte Asymmetrie des Universums zu berechnen. Daher ist das Verständnis der CP-Verletzung im Leptonen-Sektor für die Physiker von besonderem Interesse, um die Existenz des Universums zu verstehen. Die CP-Verletzung im Leptonen-Sektor kann verwendet werden, um die Materie-Antimaterie-Asymmetrie durch einen Prozess namens Leptogenese zu erklären (2).

Warum sind die Neutrinos wichtig?

Neutrinos sind die kleinsten, massiven Teilchen der Natur ohne elektrische Ladung. Da Neutrinos elektrisch neutral sind, können sie keine elektromagnetischen Wechselwirkungen haben, und sie haben auch keine starken Wechselwirkungen. Neutrinos haben winzige Massen in der Größenordnung von 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), daher ist auch die Gravitationswechselwirkung sehr schwach. Die einzige Möglichkeit, wie Neutrinos mit anderen Teilchen wechselwirken können, sind schwache Wechselwirkungen mit kurzer Reichweite.

Diese schwach wechselwirkende Eigenschaft der Neutrinos macht sie jedoch zu einer interessanten Sonde, um weit entfernte astrophysikalische Objekte zu untersuchen. Während sogar Photonen durch den im interstellaren Medium vorhandenen Staub, Gaspartikel und Hintergrundstrahlung verdeckt, gestreut und gestreut werden können, können Neutrinos weitgehend ungehindert passieren und die erdbasierten Detektoren erreichen. Im gegenwärtigen Kontext kann der Neutrino-Sektor aufgrund seiner schwachen Wechselwirkung ein brauchbarer Kandidat sein, um zur CP-Verletzung beizutragen.

Neutrino-Oszillation und CP-Verletzung

Es gibt drei Arten von Neutrinos (𝜈) – 𝜈𝑒,𝜇 und𝜏 – eine mit jedem Lepton assoziierte Geschmacksrichtung Elektron (e), Myon (𝜇) und Tau (𝜏). Neutrinos werden über schwache Wechselwirkungen in Verbindung mit dem geladenen Lepton des entsprechenden Aromas als Aroma-Eigenzustände produziert und nachgewiesen, während sie sich als Zustände mit bestimmten Massen, sogenannten Massen-Eigenzuständen, ausbreiten. Somit wird ein Neutrinostrahl mit definiertem Flavour an der Quelle am Ort der Detektion zu einer Mischung aller drei unterschiedlichen Flavours, nachdem er eine gewisse Weglänge durchlaufen hat – der Anteil der unterschiedlichen Flavour-Zustände hängt von den Parametern des Systems ab. Dieses Phänomen ist bekannt als Neutrino-Oszillation, was diese winzigen Partikel zu etwas ganz Besonderem macht!

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!

Neutrino-Oszillationsexperimente
Quelle: Wikipedia (Ref. 5)

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.

Auf dem Gebiet der Hochenergiephysik ist ein Vertrauen von 5𝜎 (dh 99.999%) erforderlich, um eine neue Entdeckung zu behaupten, daher sind Experimente der nächsten Generation erforderlich, um ausreichende Statistiken und höhere Präzision für die Entdeckung der CP-verletzenden Phase zu erhalten. Die jüngsten T2K-Ergebnisse sind jedoch zum ersten Mal eine signifikante Entwicklung hin zu unserem Verständnis der Materie-Antimaterie-Asymmetrie des Universums durch die CP-Verletzung im Neutrino-Sektor.

***

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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Shamayita Ray PhD
Shamayita Ray PhD
Labor für Weltraumphysik, VSSC, Trivandrum, Indien.

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