న్యూట్రినో ఆసిలేషన్ ప్రయోగాలతో విశ్వం యొక్క పదార్థం-వ్యతిరేక అసమానత యొక్క రహస్యాన్ని ఆవిష్కరించడం

T2K, దీర్ఘ-బేస్‌లైన్ న్యూట్రినో జపాన్‌లో డోలనం ప్రయోగం, ఇటీవల ఒక పరిశీలనను నివేదించింది, ఇక్కడ వారు ప్రాథమిక భౌతిక లక్షణాల మధ్య వ్యత్యాసానికి బలమైన సాక్ష్యాన్ని కనుగొన్నారు న్యూట్రినోలు మరియు సంబంధిత యాంటీమాటర్ కౌంటర్‌పార్ట్, యాంటీ న్యూట్రినోలు. ఈ పరిశీలన సైన్స్ యొక్క అతిపెద్ద రహస్యాలలో ఒకదానిని వివరిస్తుంది - ఆధిపత్యానికి వివరణ విషయం లో యూనివర్స్ యాంటీమాటర్‌పై, తద్వారా మన ఉనికి.

మా విషయం- యొక్క యాంటీమాటర్ అసమానత యూనివర్స్

కాస్మోలజీ సిద్ధాంతం ప్రకారం, బిగ్-బ్యాంగ్ సమయంలో రేడియేషన్ నుండి కణాలు మరియు వాటి యాంటీపార్టికల్స్ జంటగా ఉత్పత్తి చేయబడ్డాయి. యాంటీపార్టికల్స్ అంటే దాదాపు అదే భౌతిక లక్షణాలను కలిగి ఉండే యాంటీమాటర్లు విషయం ప్రతిరూపాలు అంటే కణాలు, విద్యుత్ ఛార్జ్ మరియు అయస్కాంత లక్షణాలు తప్ప. అయితే, ది యూనివర్స్ ఉనికిలో ఉంది మరియు కేవలం పదార్థంతో రూపొందించబడింది అనేది బిగ్-బ్యాంగ్ సమయంలో కొన్ని పదార్థ-వ్యతిరేక సమరూపత విచ్ఛిన్నమైందని సూచిస్తుంది, దీని కారణంగా మళ్లీ రేడియేషన్‌ను ఉత్పత్తి చేసే జంటలు పూర్తిగా నాశనం చేయలేకపోయాయి. భౌతిక శాస్త్రవేత్తలు ఇప్పటికీ CP-సిమెట్రీ ఉల్లంఘన సంతకాల కోసం చూస్తున్నారు, ఇది ప్రారంభంలో విరిగిన పదార్థం-యాంటీమాటర్ సమరూపతను వివరించగలదు యూనివర్స్.

CP-సమరూపత అనేది రెండు వేర్వేరు సమరూపతల ఉత్పత్తి - ఛార్జ్-సంయోగం (C) మరియు పారిటీ-రివర్సల్ (P). చార్జ్-కంజుగేషన్ సి చార్జ్డ్-పార్టికల్‌పై ప్రయోగించినప్పుడు దాని ఛార్జ్ యొక్క చిహ్నాన్ని మారుస్తుంది, కాబట్టి ధనాత్మకంగా చార్జ్ చేయబడిన కణం ప్రతికూలంగా ఛార్జ్ అవుతుంది మరియు వైస్ వెర్సా అవుతుంది. C. ప్యారిటీ-రివర్సల్ సిమెట్రీ చర్యలో తటస్థ కణాలు మారవు, అది పని చేస్తున్న కణం యొక్క ప్రాదేశిక కోఆర్డినేట్‌లను తిప్పికొడుతుంది - కాబట్టి కుడిచేతి కణం ఎడమచేతి వాటం అవుతుంది, అద్దం ముందు నిలబడితే అదే జరుగుతుంది. చివరగా, CP కుడిచేతి ప్రతికూలంగా-ఛార్జ్ చేయబడిన కణంపై పనిచేసినప్పుడు, అది ఎడమచేతి ధనాత్మకంగా-ఛార్జ్ చేయబడినదిగా మార్చబడుతుంది, ఇది యాంటీపార్టికల్. ఈ విధంగా విషయం మరియు యాంటీమాటర్ CP-సిమెట్రీ ద్వారా ఒకదానికొకటి సంబంధం కలిగి ఉంటాయి. అందువల్ల గమనించిన వాటిని రూపొందించడానికి CP తప్పనిసరిగా ఉల్లంఘించబడి ఉండాలి పదార్థం-వ్యతిరేక అసమానత, ఇది మొదట 1967లో సఖారోవ్ చేత ఎత్తి చూపబడింది (1).

గురుత్వాకర్షణ, విద్యుదయస్కాంత మరియు బలమైన పరస్పర చర్యలు CP-సమరూపతలో మార్పులేనివి కాబట్టి, బలహీనమైన పరస్పర చర్య ద్వారా సంకర్షణ చెందే క్వార్క్‌లు మరియు/లేదా లెప్టాన్‌ల విషయంలో మాత్రమే ప్రకృతిలో CP-ఉల్లంఘన కోసం వెతకవలసిన ఏకైక ప్రదేశం. ఇప్పటి వరకు, క్వార్క్ సెక్టార్‌లో CP-ఉల్లంఘనను ప్రయోగాత్మకంగా కొలుస్తారు, అయినప్పటికీ, అంచనా వేసిన అసమానతను రూపొందించడం చాలా చిన్నది. యూనివర్స్. అందువల్ల లెప్టాన్-సెక్టార్‌లోని CP-ఉల్లంఘనను అర్థం చేసుకోవడం భౌతిక శాస్త్రవేత్తల ఉనికిని అర్థం చేసుకోవడానికి ప్రత్యేక ఆసక్తిని కలిగి ఉంది. యూనివర్స్. లెప్టోజెనిసిస్ (2) అనే ప్రక్రియ ద్వారా లెప్టాన్-సెక్టార్‌లోని CP-ఉల్లంఘన పదార్థం-వ్యతిరేక అసమానతను వివరించడానికి ఉపయోగించవచ్చు.

న్యూట్రినోలు ఎందుకు ముఖ్యమైనవి?

న్యూట్రినోలు సున్నా విద్యుదావేశం కలిగిన ప్రకృతిలోని అతి చిన్న, భారీ కణాలు. విద్యుత్ తటస్థంగా ఉండటం, న్యూట్రినోలు విద్యుదయస్కాంత పరస్పర చర్యలను కలిగి ఉండకూడదు మరియు వాటికి బలమైన పరస్పర చర్యలు కూడా ఉండవు. న్యూట్రినోలు 0.1 eV (~ 2 × 10-) క్రమం యొక్క చిన్న ద్రవ్యరాశిని కలిగి ఉంటాయి.³⁷kg), కాబట్టి గురుత్వాకర్షణ పరస్పర చర్య కూడా చాలా బలహీనంగా ఉంటుంది. ఏకైక మార్గం న్యూట్రినోలు స్వల్ప-శ్రేణి బలహీన పరస్పర చర్యల ద్వారా ఇతర కణాలతో సంకర్షణ చెందుతుంది.

యొక్క ఈ బలహీనంగా పరస్పర చర్య చేసే లక్షణం న్యూట్రినోలుఅయితే, వాటిని దూరంగా ఉన్న ఖగోళ భౌతిక వస్తువులను అధ్యయనం చేయడానికి ఒక ఆసక్తికరమైన ప్రోబ్‌గా చేస్తుంది. ఇంటర్స్టెల్లార్ మాధ్యమంలో ఉన్న దుమ్ము, వాయువు కణాలు మరియు నేపథ్య రేడియేషన్ల ద్వారా ఫోటాన్లు కూడా అస్పష్టంగా, వ్యాప్తి చెందుతాయి మరియు చెల్లాచెదురుగా ఉంటాయి, న్యూట్రినోలు చాలా వరకు ఎటువంటి ఆటంకాలు లేకుండా దాటి భూమి-ఆధారిత డిటెక్టర్లను చేరుకోగలదు. ప్రస్తుత సందర్భంలో, బలహీనంగా సంకర్షణ చెందుతున్నందున, న్యూట్రినో-రంగం CP-ఉల్లంఘనకు దోహదపడేందుకు ఒక ఆచరణీయ అభ్యర్థిగా ఉంటుంది.

న్యూట్రినో డోలనం మరియు CP-ఉల్లంఘన

మూడు రకాల న్యూట్రినోలు ఉన్నాయి (𝜈) - 𝜈_𝑒,_𝜇 మరియు 𝜈_𝜏 - ఎలక్ట్రాన్ (ఇ), మ్యూయాన్ (𝜇) మరియు టౌ (𝜏) రుచులతో ప్రతి లెప్టాన్‌తో అనుబంధించబడినది. న్యూట్రినోలు ఉత్పత్తి చేయబడి, సంబంధిత ఫ్లేవర్ యొక్క చార్జ్డ్ లెప్టాన్‌తో అనుబంధంగా బలహీనమైన పరస్పర చర్యల ద్వారా ఫ్లేవర్-ఈజెన్‌స్టేట్‌లుగా గుర్తించబడతాయి, అయితే అవి మాస్-ఈజెన్‌స్టేట్స్ అని పిలువబడే ఖచ్చితమైన ద్రవ్యరాశితో రాష్ట్రాలుగా ప్రచారం చేస్తాయి. ఆ విధంగా మూలం వద్ద ఖచ్చితమైన రుచిని కలిగి ఉండే న్యూట్రినో పుంజం కొంత మార్గం-పొడవు ద్వారా ప్రయాణించిన తర్వాత గుర్తించే ప్రదేశంలో మూడు విభిన్న రుచుల మిశ్రమంగా మారుతుంది - వివిధ రుచి స్థితుల నిష్పత్తి వ్యవస్థ యొక్క పారామితులపై ఆధారపడి ఉంటుంది. ఈ దృగ్విషయాన్ని న్యూట్రినో ఆసిలేషన్ అని పిలుస్తారు, ఇది ఈ చిన్న కణాలను చాలా ప్రత్యేకంగా చేస్తుంది!

సిద్ధాంతపరంగా, న్యూట్రినో ఫ్లేవర్-ఈజెన్‌స్టేట్‌లలో ప్రతి ఒక్కటి మూడు ద్రవ్యరాశి-ఈజెన్‌స్టేట్‌ల యొక్క సరళ కలయికగా వ్యక్తీకరించబడుతుంది మరియు దీనికి విరుద్ధంగా మరియు మిక్సింగ్‌ను పాంటెకోర్వో-మాకి-నకగావా-సకటా (PMNS) మాతృక (3,4) అనే యూనిటరీ మాతృక ద్వారా వర్ణించవచ్చు. ,3). ఈ XNUMX-డైమెన్షనల్ యూనిటరీ మిక్సింగ్ మాతృకను మూడు మిక్సింగ్ కోణాలు మరియు సంక్లిష్ట దశల ద్వారా పారామితి చేయవచ్చు. ఈ సంక్లిష్ట దశలలో, న్యూట్రినో డోలనం ఒక దశకు మాత్రమే సున్నితంగా ఉంటుంది, పేరు 𝛿_𝐶𝑃, మరియు ఇది లెప్టాన్ సెక్టార్‌లో CP-ఉల్లంఘన యొక్క ఏకైక మూలం. 𝛿_𝐶𝑃 −180° మరియు 180° పరిధిలో ఏదైనా విలువను తీసుకోవచ్చు. కాగా 𝛿_𝐶𝑃=0, ±180° అంటే న్యూట్రినోలు మరియు యాంటీన్యూట్రినోలు ఒకేలా ప్రవర్తిస్తాయి మరియు CP సంరక్షించబడుతుంది, 𝛿_𝐶𝑃= ±90° స్టాండర్డ్ మోడల్ యొక్క లెప్టాన్-సెక్టార్‌లో గరిష్ట CP-ఉల్లంఘనను సూచిస్తుంది. ఏదైనా ఇంటర్మీడియట్ విలువ వివిధ స్థాయిలలో CP- ఉల్లంఘనను సూచిస్తుంది. అందువల్ల 𝛿 యొక్క కొలత_𝐶𝑃 న్యూట్రినో ఫిజిక్స్ కమ్యూనిటీ యొక్క అత్యంత ముఖ్యమైన లక్ష్యాలలో ఒకటి.

డోలనం పారామితుల కొలత

న్యూట్రినోలు సూర్యుడు, ఇతర నక్షత్రాలు మరియు సూపర్నోవా వంటి అణు ప్రతిచర్యల సమయంలో సమృద్ధిగా ఉత్పత్తి అవుతాయి. పరమాణు కేంద్రకాలతో అధిక-శక్తి కాస్మిక్ కిరణాల పరస్పర చర్య ద్వారా అవి భూమి యొక్క వాతావరణంలో కూడా ఉత్పత్తి చేయబడతాయి. న్యూట్రినో ఫ్లక్స్ గురించి ఒక ఆలోచన కలిగి ఉండటానికి, ప్రతి సెకనుకు దాదాపు 100 ట్రిలియన్లు మన గుండా వెళతాయి. కానీ అవి చాలా బలహీనంగా పరస్పర చర్య చేస్తున్నందున మేము దానిని కూడా గుర్తించలేము. ఇది న్యూట్రినో డోలనం ప్రయోగాల సమయంలో న్యూట్రినో లక్షణాలను కొలవడం నిజంగా సవాలుతో కూడుకున్న పని!

ఈ అంతుచిక్కని కణాలను కొలవడానికి, న్యూట్రినో డిటెక్టర్లు పెద్దవి, కిలో-టన్నుల ద్రవ్యరాశిని కలిగి ఉంటాయి మరియు ప్రయోగాలు గణాంకపరంగా ముఖ్యమైన ఫలితాలను సాధించడానికి చాలా సంవత్సరాలు పడుతుంది. వారి బలహీనమైన పరస్పర చర్యల కారణంగా, న్యూక్లియర్ బీటా క్షయం (చిత్రం (25)లో చూపబడింది)లో శక్తి-మొమెంటం పరిరక్షణను వివరించడానికి 1932లో పౌలీ తమ ఉనికిని ప్రతిపాదించిన తర్వాత ప్రయోగాత్మకంగా మొదటి న్యూట్రినోను గుర్తించడానికి శాస్త్రవేత్తలకు దాదాపు 5 సంవత్సరాలు పట్టింది.

శాస్త్రవేత్తలు మూడు మిక్సింగ్ కోణాలను 90% కంటే ఎక్కువ ఖచ్చితత్వంతో 99.73% (3𝜎) విశ్వాసంతో కొలుస్తారు (6). సౌర మరియు వాతావరణ న్యూట్రినోల డోలనాలను వివరించడానికి రెండు మిక్సింగ్ కోణాలు పెద్దవిగా ఉంటాయి, మూడవ కోణం (పేరు 𝜃₁₃) చిన్నది, ఉత్తమంగా సరిపోయే విలువ సుమారుగా 8.6°, మరియు చైనాలోని రియాక్టర్ న్యూట్రినో ప్రయోగం దయా-బే ద్వారా ఇటీవలే 2011లో ప్రయోగాత్మకంగా కొలుస్తారు. PMNS మాతృకలో, దశ 𝛿_𝐶𝑃 పాపం కాంబినేషన్‌లో మాత్రమే కనిపిస్తుంది₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} 𝛿 యొక్క ప్రయోగాత్మక కొలత_𝐶𝑃 కష్టం.

క్వార్క్ మరియు న్యూట్రినో-సెక్టార్‌లలో CP-ఉల్లంఘన మొత్తాన్ని లెక్కించే పారామీటర్‌ను జార్ల్స్‌కాగ్ మార్పులేని 𝐽_𝐶𝑃 (7), ఇది మిక్సింగ్ కోణాల మరియు CP-ఉల్లంఘించే దశ. క్వార్క్ సెక్టార్ కోసం 𝐽_𝐶𝑃~3×10^-5 , న్యూట్రినో సెక్టార్ కోసం అయితే_𝐶𝑃~0.033 పాపం𝛿_𝐶𝑃, మరియు ఆ విధంగా 𝐽 ​​కంటే పెద్ద పరిమాణంలో మూడు ఆర్డర్‌ల వరకు ఉండవచ్చు_𝐶𝑃 క్వార్క్ సెక్టార్‌లో, 𝛿 విలువపై ఆధారపడి ఉంటుంది_𝐶𝑃.

T2K నుండి ఫలితం - పదార్థం-వ్యతిరేక అసమానత యొక్క రహస్యాన్ని పరిష్కరించే దిశగా సూచన

లాంగ్-బేస్‌లైన్ న్యూట్రినో ఆసిలేషన్ ప్రయోగం T2K (జపాన్‌లోని టోకై-టు-కమియోకా)లో, జపాన్ ప్రోటాన్ యాక్సిలరేటర్ రీసెర్చ్ కాంప్లెక్స్ (J-PARC) వద్ద న్యూట్రినో లేదా యాంటీన్యూట్రినో కిరణాలు ఉత్పత్తి చేయబడతాయి మరియు సూపర్-కమియోకాండే వద్ద వాటర్-సెరెన్‌కోవ్ డిటెక్టర్‌లో కనుగొనబడ్డాయి. భూమి గుండా 295 కిలోమీటర్ల దూరం ప్రయాణించిన తర్వాత. ఈ యాక్సిలరేటర్ 𝜈 కిరణాలను ఉత్పత్తి చేయగలదు కాబట్టి_𝜇 లేదా దాని యాంటీపార్టికల్ 𝜈̅𝜇, మరియు డిటెక్టర్ గుర్తించగలదు_𝜇,𝜈_𝑒 మరియు వాటి యాంటీపార్టికల్స్ 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, అవి నాలుగు వేర్వేరు డోలనం ప్రక్రియల నుండి ఫలితాలను కలిగి ఉంటాయి మరియు డోలనం పారామితులపై సమర్థవంతమైన హద్దులను పొందడానికి విశ్లేషణను నిర్వహించగలవు. అయితే, CP-ఉల్లంఘించే దశ 𝛿_𝐶𝑃 న్యూట్రినోలు రుచులను మార్చే ప్రక్రియలో మాత్రమే కనిపిస్తాయి, అనగా డోలనాల్లో 𝜇→𝜈𝑒 మరియు 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - ఈ రెండు ప్రక్రియలలో ఏదైనా తేడా లెప్టాన్-సెక్టార్‌లో CP-ఉల్లంఘనను సూచిస్తుంది.

ఇటీవలి కమ్యూనికేషన్‌లో, T2K సహకారం 2009 మరియు 2018 (8) సమయంలో సేకరించిన డేటాను విశ్లేషిస్తూ, న్యూట్రినో సెక్టార్‌లో CP- ఉల్లంఘనపై ఆసక్తికరమైన హద్దులను నివేదించింది. ఈ కొత్త ఫలితం 𝛿 యొక్క సాధ్యమయ్యే అన్ని విలువలలో దాదాపు 42%ని తోసిపుచ్చింది_𝐶𝑃. మరీ ముఖ్యంగా, CP సంరక్షించబడిన సందర్భం 95% విశ్వాసంతో మినహాయించబడింది మరియు అదే సమయంలో ప్రకృతిలో గరిష్ట CP-ఉల్లంఘనకు ప్రాధాన్యత ఇవ్వబడుతుంది.

హై-ఎనర్జీ ఫిజిక్స్ రంగంలో, కొత్త ఆవిష్కరణను క్లెయిమ్ చేయడానికి 5𝜎 (అనగా 99.999%) విశ్వాసం అవసరం, కాబట్టి CP-ఉల్లంఘించే దశ యొక్క ఆవిష్కరణ కోసం తగిన గణాంకాలు మరియు అధిక ఖచ్చితత్వాన్ని పొందడానికి తదుపరి తరం ప్రయోగాలు అవసరం. అయితే ఇటీవలి T2K ఫలితం పదార్థం-యాంటీమాటర్ అసమానతపై మన అవగాహనలో గణనీయమైన అభివృద్ధి యూనివర్స్ న్యూట్రినో సెక్టార్‌లో CP ఉల్లంఘన ద్వారా మొదటిసారి.

***

ప్రస్తావనలు:

1. సఖారోవ్, ఆండ్రీ డి., 1991. ''విశ్వం యొక్క CP అస్థిరత, C అసమానత మరియు బేరియన్ అసమానత ఉల్లంఘన''. సోవియట్ ఫిజిక్స్ ఉస్పేఖి, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. బారి పాస్‌క్వెల్ డి, 2012. లెప్టోజెనిసిస్ మరియు న్యూట్రినో ప్రాపర్టీలకు ఒక పరిచయం. కాంటెంపరరీ ఫిజిక్స్ వాల్యూమ్ 53, 2012 – సంచిక 4 పేజీలు 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. మకి Z., నకగావా M. మరియు సకత S., 1962. ప్రాథమిక కణాల ఏకీకృత నమూనాపై వ్యాఖ్యలు. ప్రోగ్రెస్ ఆఫ్ థియరిటికల్ ఫిజిక్స్, వాల్యూమ్ 28, సంచిక 5, నవంబర్ 1962, పేజీలు 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. పోంటెకోర్వో బి., 1958. ఇన్వర్స్ బీటా ప్రక్రియలు మరియు లెప్టన్ ఛార్జ్ యొక్క నాన్-కన్సర్వేషన్. జర్నల్ ఆఫ్ ఎక్స్‌పెరిమెంటల్ అండ్ థియరిటికల్ ఫిజిక్స్ (USSR) 34, 247-249 (జనవరి, 1958). ఆన్‌లైన్‌లో అందుబాటులో ఉంది http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 ఏప్రిల్ 2020న యాక్సెస్ చేయబడింది.

5. ఇండక్టివ్‌లోడ్, 2007. బీటా-మైనస్ డికే. [చిత్రం ఆన్‌లైన్] ఇక్కడ అందుబాటులో ఉంది https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 ఏప్రిల్ 2020న యాక్సెస్ చేయబడింది.

6. తనబాషి M., మరియు ఇతరులు. (పార్టికల్ డేటా గ్రూప్), 2018. న్యూట్రినో మాసెస్, మిక్సింగ్ మరియు ఆసిలేషన్స్, ఫిజి. Rev. D98, 030001 (2018) మరియు 2019 నవీకరణ. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. జార్ల్‌స్కోగ్, సి., 1986. జర్ల్స్‌స్కోగ్ ప్రతిస్పందించాడు. భౌతిక. రెవ. లెట్. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. T2K సహకారం, 2020. న్యూట్రినో డోలనాల్లో పదార్థం-వ్యతిరేక సమరూపత-ఉల్లంఘించే దశపై పరిమితి. నేచర్ వాల్యూమ్ 580, పేజీలు339–344(2020). ప్రచురించబడింది: 15 ఏప్రిల్ 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***