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用中微子振荡实验揭开宇宙物质-反物质不对称的神秘面纱

科学物理用中微子振荡实验揭开宇宙物质-反物质不对称的神秘面纱

T2K 是日本的一项长基线中微子振荡实验,最近报告了一项观察结果,他们检测到中微子的基本物理性质与相应的反物质对应物反中微子的基本物理性质之间存在差异的有力证据。 这一观察暗示解释了科学中最大的谜团之一——解释了宇宙中物质对反物质的支配地位,从而解释了我们的存在。

宇宙的物质-反物质不对称性

根据宇宙学理论,粒子和它们的反粒子是在大爆炸期间由辐射成对产生的。 反粒子是与它们的物质对应物(即粒子)具有几乎相同物理特性的反物质,除了相反的电荷和磁特性。 然而,宇宙存在并且仅由物质组成表明在大爆炸过程中某些物质-反物质对称性被打破,因此这些对不能完全湮灭,再次产生辐射。 物理学家仍在寻找 CP 对称性破坏的特征,这反过来又可以解释早期宇宙中破坏的物质 - 反物质对称性。

CP 对称性是两种不同对称性的产物——电荷共轭 (C) 和奇偶反转 (P)。 电荷共轭 C 当应用于带电粒子时会改变其电荷的符号,因此带正电的粒子带负电,反之亦然。 中性粒子在 C 的作用下保持不变。奇偶反转对称性反转了它所作用的粒子的空间坐标——因此右手粒子变成左手粒子,类似于站在镜子前时发生的情况。 最后,当CP作用于右手带负电荷的粒子时,它会转化为左手带正电荷的粒子,这就是反粒子。 因此,物质和反物质通过 CP 对称性相互关联。 因此,必须违反 CP 才能生成观察到的 物质反物质不对称,这是 Sakharov 在 1967 年首先指出的 (1)。

由于引力、电磁以及强相互作用在 CP 对称下是不变的,因此在自然界中寻找 CP 违反的唯一地方是夸克和/或轻子,它们通过弱相互作用相互作用。 到目前为止,已经在夸克扇区中通过实验测量了 CP 违反,但是,它太小而无法产生估计的宇宙不对称性。 因此,了解轻子扇区中的 CP 违反对于物理学家了解宇宙的存在特别感兴趣。 轻子扇区中的 CP 违反可用于通过称为轻子发生的过程来解释物质 - 反物质的不对称性 (2)。

为什么中微子很重要?

中微子是自然界中最小的、大质量的零电荷粒子。 中微子是电中性的,不能有电磁相互作用,也没有强相互作用。 中微子具有大约 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg),因此引力相互作用也很弱。 中微子与其他粒子相互作用的唯一方式是通过短程弱相互作用。

然而,中微子的这种弱相互作用特性使它们成为研究遥远天体物理物体的有趣探测器。 虽然即使是光子也可能被星际介质中存在的尘埃、气体粒子和背景辐射遮蔽、扩散和散射,但中微子几乎可以不受阻碍地通过并到达地球探测器。 在当前背景下,弱相互作用的中微子扇区可能是导致 CP 违规的可行候选者。

中微子振荡和CP违反

中微子(𝜈)一共有三种类型——𝜈𝑒, 𝜈𝜇 和𝜈𝜏 – 一个与每个轻子相关的味道电子 (e)、μ 子 (𝜇) 和 tau (𝜏)。 中微子是通过与相应味道的带电轻子相关的弱相互作用产生和检测为味道本征态的,而它们以具有确定质量的状态传播,称为质量本征态。 因此,在源头处具有确定风味的中微子束在穿过某个路径长度后,在检测点变成了所有三种不同风味的混合物——不同风味状态的比例取决于系统参数。 这种现象被称为 中微子振荡,这使得这些微小的颗粒非常特别!

从理论上讲,每个中微子风味本征态都可以表示为所有三种质量本征态的线性组合,反之亦然,并且混合可以通过称为 Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) 矩阵的酉矩阵来描述(3,4 ,3)。 这个 XNUMX 维单一混合矩阵可以通过三个混合角和复杂相位进行参数化。 在这些复杂的相位中,中微子振荡只对一个相位敏感,命名为 𝛿𝐶𝑃,并且它是轻子扇区中 CP 违反的唯一来源。 𝛿𝐶𝑃 可以取 -180° 和 180° 范围内的任何值。 虽然𝛿𝐶𝑃=0,±180° 表示中微子和反中微子行为相同,CP 守恒,𝛿𝐶𝑃=±90° 表示标准模型的轻子扇区中的最大 CP 违规。 任何中间值都表示不同程度的 CP 违规。 因此测量𝛿𝐶𝑃 是中微子物理学界最重要的目标之一。

振荡参数的测量

中微子在核反应过程中大量产生,就像太阳、其他恒星和超新星中的中微子一样。 它们也是通过高能宇宙射线与原子核的相互作用在地球大气层中产生的。 要了解中微子通量,每秒大约有 100 万亿个中微子通过我们。 但我们甚至没有意识到这一点,因为它们的相互作用非常微弱。 这使得在中微子振荡实验中测量中微子特性成为一项非常具有挑战性的工作!

中微子振荡实验
资料来源:维基百科(参考文献 5)

为了测量这些难以捉摸的粒子,中微子探测器很大,质量达数千吨,而实验需要几年时间才能获得具有统计意义的结果。 由于它们的弱相互作用,在泡利于 25 年假设它们的存在以解释核 β 衰变中的能量-动量守恒(如图(1932)所示)后,科学家们花了大约 5 年的时间才通过实验检测到第一个中微子。

科学家们以 90% (99.73𝜎) 的置信度 (3) 以超过 6% 的精度测量了所有三个混合角。 其中两个混合角很大,可以解释太阳和大气中微子的振荡,第三个角(命名为 𝜃13) 很小,最佳拟合值约为 8.6°,直到最近才在 2011 年由中国大亚湾反应堆中微子实验进行了实验测量。 在 PMNS 矩阵中,相位 𝛿𝐶𝑃 只出现在组合sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, 对𝛿进行实验测量𝐶𝑃 难。

量化夸克和中微子扇区中 CP 违反量的参数称为 Jarlskog 不变量 𝐽𝐶𝑃 (7),它是混合角和 CP 违反相位的函数。 对于夸克区 𝐽𝐶𝑃~3×10-5 , 而对于中微子扇区 𝐽𝐶𝑃~0.033 罪𝛿𝐶𝑃,因此可以比 𝐽 大三个数量级𝐶𝑃 在夸克区,取决于 𝛿 的值𝐶𝑃.

T2K的结果——解开物质-反物质不对称之谜的暗示

在长基线中微子振荡实验 T2K(日本 Tokai-to-Kamioka)中,日本质子加速器研究中心 (J-PARC) 产生中微子或反中微子束,并在 Super-Kamiokande 的 Water-Cerenkov 探测器上探测到,在穿越地球 295 公里的距离后。 由于这个加速器可以产生 𝜈𝜇 或者它的反粒子𝜈̅𝜇,检测器可以检测到𝜈𝜇,𝜈𝑒 以及它们的反粒子 𝜈̅𝜇、𝜈̅𝑒,它们具有来自四种不同振荡过程的结果,并且可以执行分析以获得振荡参数的有效界限。 然而,CP违反阶段𝛿𝐶𝑃 仅在中微子改变味道的过程中出现,即在振荡𝜈𝜇→𝜈𝑒 和 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 的过程中 - 这两个过程中的任何差异都意味着轻子扇区中的 CP 违反。

在最近的一次通讯中,T2K 合作报告了中微子部门 CP 违反的有趣界限,分析了 2009 年和 2018 年期间收集的数据 (8)。 这个新结果排除了 𝛿 的所有可能值的大约 42%𝐶𝑃. 更重要的是,以 95% 的置信度排除了 CP 保守的情况,同时最大的 CP 违反似乎在自然界中更受欢迎。

在高能物理领域,声称一个新发现需要5𝜎(即99.999%)的置信度,因此需要下一代实验来获得足够的统计数据和更高的精度来发现CP违反相。 然而,最近的 T2K 结果是我们首次通过中微子扇区中的 CP 违反来理解宇宙的物质 - 反物质不对称性的重大进展。

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参考文献:

1. Sakharov,Andrei D.,1991 年。“违反宇宙的 CP 不变性、C 不对称性和重子不对称性”。 苏联物理学 Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393。 DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di,2012 年。瘦素发生和中微子特性介绍。 当代物理学第 53 卷,2012 年 – 第 4 期,第 315-338 页。 DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z.、Nakagawa M. 和 Sakata S.,1962。关于基本粒子统一模型的评论。 理论物理进展,第 28 卷,第 5 期,1962 年 870 月,第 880-XNUMX 页,DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. 逆 BETA 过程和轻子电荷不守恒。 Journal of Experimental and Theoretical Physics (USSR) 34, 247-249(1958 年 XNUMX 月)。 在线提供 http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 年 2020 月 XNUMX 日访问。

5. 电感负载,2007 年。Beta 减去衰减。 [在线图片] 可在 https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 在23年4月访问了2020。

6. Tanabashi M.,等。 (粒子数据组),2018 年。中微子质量、混合和振荡,物理学。 修订版 D98、030001 (2018) 和 2019 更新。 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog 回应。 物理牧师莱特。 57, 2875。DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. T2K 合作,2020 年。对中微子振荡中物质-反物质对称性违反阶段的约束。 《自然》第 580 卷,第 339–344 页(2020 年)。 发布时间:15 年 2020 月 XNUMX 日。DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

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沙玛依塔雷博士
沙玛依塔雷博士
空间物理实验室,VSSC,特里凡得琅,印度。

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