न्यूट्रिनो ऑसिलेशन प्रयोगांसह विश्वाच्या पदार्थ-अँटिमेटर असममितीचे रहस्य उलगडणे

T2K, एक लांब-बेसलाइन न्यूट्रिनो जपानमधील दोलन प्रयोग, अलीकडेच एक निरीक्षण नोंदवले गेले आहे जेथे त्यांना मूलभूत भौतिक गुणधर्मांमधील फरकाचा भक्कम पुरावा आढळला आहे. न्यूट्रीनोंच्या आणि संबंधित प्रतिपदार्थ प्रतिरूप, विरोधी न्यूट्रिनो. हे निरीक्षण विज्ञानाच्या सर्वात मोठ्या रहस्यांपैकी एकाचे स्पष्टीकरण देण्यास सूचित करते - याच्या वर्चस्वाचे स्पष्टीकरण बाब मध्ये विश्वाची प्रतिपदार्थावर, आणि त्यामुळे आपले अस्तित्व.

अगोदर निर्देश केलेल्या बाबीसंबंधी बोलताना बाब-ची प्रतिद्रव्य विषमता विश्वाची

कॉस्मॉलॉजीच्या सिद्धांतानुसार, बिग-बँग दरम्यान किरणोत्सर्गातून कण आणि त्यांचे प्रतिकण जोड्यांमध्ये तयार झाले. प्रतिकण हे प्रतिद्रव्य असतात ज्यात त्यांच्या सारखेच भौतिक गुणधर्म असतात बाब विद्युतभार आणि चुंबकीय गुणधर्मांशिवाय कण, जे उलट आहेत. तथापि, द विश्वाची अस्तित्वात आहे आणि केवळ पदार्थापासून बनलेले आहे हे सूचित करते की बिग-बँग दरम्यान काही पदार्थ-अँटीमेटर सममिती तुटली होती, ज्यामुळे जोड्या पुन्हा रेडिएशन तयार करून पूर्णपणे नष्ट करू शकत नाहीत. भौतिकशास्त्रज्ञ अजूनही CP-सममिती उल्लंघनाच्या स्वाक्षऱ्या शोधत आहेत, ज्यामुळे तुटलेली पदार्थ-अँटीमेटर सममिती लवकर स्पष्ट होऊ शकते. विश्वाची.

CP-सममिती दोन भिन्न सममितींचे उत्पादन आहे - चार्ज-संयुग्मन (C) आणि पॅरिटी-रिव्हर्सल (P). चार्ज-कंज्युगेशन C जेव्हा चार्ज केलेल्या कणावर लागू होते तेव्हा त्याच्या चार्जचे चिन्ह बदलते, म्हणून सकारात्मक चार्ज केलेला कण नकारात्मक चार्ज होतो आणि उलट होतो. C च्या क्रियेखाली तटस्थ कण अपरिवर्तित राहतात. पॅरिटी-रिव्हर्सल सममिती ज्या कणावर कार्य करत आहे त्याच्या अवकाशीय निर्देशांकांना उलट करते – त्यामुळे उजव्या हाताचा कण डाव्या हाताचा बनतो, आरशासमोर उभे राहिल्यावर जे घडते त्याप्रमाणेच. शेवटी, जेव्हा CP उजव्या हाताच्या नकारात्मक-चार्ज केलेल्या कणावर कार्य करते, तेव्हा ते डाव्या हाताच्या सकारात्मक-चार्ज केलेल्या कणात रूपांतरित होते, जे प्रतिकण असते. अशा प्रकारे बाब आणि प्रतिपदार्थ CP-सममितीद्वारे एकमेकांशी संबंधित आहेत. त्यामुळे निरीक्षण तयार करण्यासाठी CP चे उल्लंघन केले गेले असावे पदार्थ-प्रतिमॅटर विषमता, जे प्रथम 1967 (1) मध्ये सखारोव्ह यांनी निदर्शनास आणले होते.

गुरुत्वाकर्षण, इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक तसेच सशक्त परस्पर क्रिया CP-सममिती अंतर्गत अपरिवर्तनीय असल्याने, निसर्गात CP-उल्लंघन शोधण्याचे एकमेव ठिकाण क्वार्क आणि/किंवा लेप्टॉनच्या बाबतीत आहे, जे कमकुवत परस्परसंवादाद्वारे परस्परसंवाद करतात. आत्तापर्यंत, क्वार्क-सेक्टरमध्ये CP-उल्लंघन प्रायोगिकरित्या मोजले गेले आहे, तथापि, अंदाजे विषमता निर्माण करण्यासाठी ते खूपच लहान आहे. विश्वाची. त्यामुळे लेप्टन-सेक्टरमधील CP-उल्लंघन समजून घेणे भौतिकशास्त्रज्ञांना विशेष स्वारस्य आहे. विश्वाची. लेप्टोन-सेक्टरमधील CP-उल्लंघनाचा उपयोग लेप्टोजेनेसिस (2) नावाच्या प्रक्रियेद्वारे पदार्थ-विरोधी विषमता स्पष्ट करण्यासाठी केला जाऊ शकतो.

न्यूट्रिनो महत्वाचे का आहेत?

न्यूट्रीनोंच्या शून्य विद्युत चार्ज असलेले निसर्गाचे सर्वात लहान, विशाल कण आहेत. विद्युतदृष्ट्या तटस्थ असणे, न्यूट्रीनोंच्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक परस्परसंवाद असू शकत नाहीत आणि त्यांच्यात मजबूत परस्परसंवाद देखील नाहीत. न्यूट्रिनोमध्ये 0.1 eV (~ 2 × 10-) च्या क्रमाने लहान वस्तुमान असते³⁷kg), म्हणून गुरुत्वाकर्षण संवाद देखील खूप कमकुवत आहे. एकमेव मार्ग न्यूट्रीनोंच्या कमी-श्रेणीच्या कमकुवत परस्परसंवादाद्वारे इतर कणांशी संवाद साधू शकतो.

ची ही कमकुवतपणे परस्परसंवादी गुणधर्म न्यूट्रीनोंच्यातथापि, त्यांना दूरच्या खगोल भौतिक वस्तूंचा अभ्यास करण्यासाठी एक मनोरंजक शोध बनवते. आंतरतारकीय माध्यमात उपस्थित असलेल्या धूळ, वायू कण आणि पार्श्वभूमी विकिरणांमुळे फोटॉन देखील अस्पष्ट, विखुरलेले आणि विखुरले जाऊ शकतात, न्यूट्रीनोंच्या बहुतेक बिनधास्तपणे पुढे जाऊ शकते आणि पृथ्वी-आधारित डिटेक्टरपर्यंत पोहोचू शकते. सध्याच्या संदर्भात, कमकुवतपणे-संवाद साधणारे असल्याने, न्यूट्रिनो-सेक्टर CP-उल्लंघनामध्ये योगदान देण्यासाठी एक व्यवहार्य उमेदवार असू शकतो.

न्यूट्रिनो दोलन आणि CP-उल्लंघन

न्यूट्रिनोचे तीन प्रकार आहेत (𝜈) - 𝜈_𝑒, 𝜈_𝜇 आणि 𝜈_𝜏 - प्रत्येक लेप्टॉन फ्लेवर्सशी संबंधित एक इलेक्ट्रॉन (ई), म्युऑन (𝜇) आणि ताऊ (𝜏). न्यूट्रिनो तयार होतात आणि संबंधित फ्लेवरच्या चार्ज केलेल्या लेप्टनच्या संयोगाने कमकुवत परस्परसंवादाद्वारे फ्लेवर-आयजनस्टेट्स म्हणून ओळखले जातात, तर ते निश्चित वस्तुमान असलेल्या अवस्था म्हणून प्रसारित होतात, ज्यांना मास-एजिनस्टेट्स म्हणतात. अशा प्रकारे काही पथ-लांबीतून प्रवास केल्यानंतर शोधण्याच्या टप्प्यावर स्त्रोतावरील निश्चित चवचा न्यूट्रिनो किरण सर्व तीन भिन्न स्वादांचे मिश्रण बनतो - भिन्न स्वाद स्थितींचे प्रमाण सिस्टमच्या पॅरामीटर्सवर अवलंबून असते. या घटनेला न्यूट्रिनो दोलन म्हणून ओळखले जाते, ज्यामुळे हे लहान कण अतिशय खास बनतात!

सैद्धांतिकदृष्ट्या, प्रत्येक न्यूट्रिनो फ्लेवर-आयजनस्टेट्स हे तिन्ही वस्तुमान-इजनस्टेट्स आणि त्याउलटचे एक रेषीय संयोजन म्हणून व्यक्त केले जाऊ शकतात आणि मिश्रणाचे वर्णन पॉन्टेकोर्वो-माकी-नाकागावा-साकाटा (PMNS) मॅट्रिक्स (3,4) नावाच्या एकात्मक मॅट्रिक्सद्वारे केले जाऊ शकते. ,3). हे त्रिमितीय एकात्मक मिश्रण मॅट्रिक्स तीन मिक्सिंग कोन आणि जटिल टप्प्यांद्वारे पॅरामेट्रीज केले जाऊ शकते. या जटिल टप्प्यांपैकी, न्यूट्रिनो दोलन केवळ एका टप्प्यासाठी संवेदनशील आहे, ज्याचे नाव आहे 𝛿_𝐶𝑃, आणि लेप्टन-सेक्टरमध्ये CP-उल्लंघनाचा हा एकमेव स्त्रोत आहे. 𝛿_𝐶𝑃 −180° आणि 180° श्रेणीतील कोणतेही मूल्य घेऊ शकते. तर 𝛿_𝐶𝑃=0,±180° म्हणजे न्यूट्रिनो आणि अँटीन्यूट्रिनो सारखेच वागतात आणि CP संरक्षित आहे, 𝛿_𝐶𝑃=±90° हे मानक मॉडेलच्या लेप्टन-सेक्टरमध्ये कमाल CP-उल्लंघन दर्शवते. कोणतेही मध्यवर्ती मूल्य हे वेगवेगळ्या अंशांवर CP-उल्लंघनाचे सूचक असते. म्हणून 𝛿 चे मोजमाप_𝐶𝑃 न्यूट्रिनो भौतिकशास्त्र समुदायाच्या सर्वात महत्वाच्या उद्दिष्टांपैकी एक आहे.

ऑसिलेशन पॅरामीटर्सचे मापन

सूर्य, इतर तारे आणि सुपरनोव्हा सारख्या विभक्त प्रतिक्रियांमध्ये न्यूट्रिनो मुबलक प्रमाणात तयार होतात. ते पृथ्वीच्या वातावरणात उच्च-ऊर्जा असलेल्या वैश्विक किरणांच्या अणू केंद्रकांच्या परस्परसंवादाद्वारे देखील तयार होतात. न्यूट्रिनो फ्लक्सची कल्पना येण्यासाठी, दर सेकंदाला सुमारे 100 ट्रिलियन आपल्यामधून जातात. पण ते फारच कमकुवतपणे संवाद साधत असल्याने आम्हाला ते कळतही नाही. यामुळे न्यूट्रिनो दोलन प्रयोगांदरम्यान न्यूट्रिनो गुणधर्मांचे मोजमाप करणे खरोखरच आव्हानात्मक काम बनते!

या मायावी कणांचे मोजमाप करण्यासाठी, न्यूट्रिनो डिटेक्टर मोठे आहेत, त्यांच्याकडे किलो-टन वस्तुमान आहे आणि सांख्यिकीयदृष्ट्या महत्त्वपूर्ण परिणाम मिळविण्यासाठी प्रयोगांना अनेक वर्षे लागतात. त्यांच्या कमकुवत आंतरक्रियांमुळे, शास्त्रज्ञांना 25 मध्ये न्यूट्रीनोची उपस्थिती दर्शविल्यानंतर प्रथम न्यूट्रीनो प्रायोगिकरित्या शोधण्यात शास्त्रज्ञांना सुमारे 1932 वर्षे लागली, ज्यानंतर आण्विक बीटा क्षय (आकृतीमध्ये (5 टक्के) दर्शविलेल्या ऊर्जा-गती संवर्धनाचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी XNUMX मध्ये त्यांची उपस्थिती होती).

शास्त्रज्ञांनी 90% (99.73𝜎) आत्मविश्वासाने (3) 6% पेक्षा जास्त अचूकतेसह तीनही मिश्रणाचे कोन मोजले आहेत. सौर आणि वायुमंडलीय न्यूट्रिनोच्या दोलनांचे स्पष्टीकरण देण्यासाठी मिश्रणाचे दोन कोन मोठे आहेत, तिसरा कोन (नाव 𝜃₁₃) लहान आहे, सर्वोत्तम-योग्य मूल्य अंदाजे 8.6° आहे आणि नुकतेच 2011 मध्ये चीनमधील दया-बे रिअॅक्टर न्यूट्रिनो प्रयोगाद्वारे प्रायोगिकरित्या मोजले गेले. PMNS मॅट्रिक्समध्ये, टप्पा 𝛿_𝐶𝑃 फक्त sin𝜃 संयोजनात दिसते₁₃𝑒^{±𝑖𝛿_𝐶𝑃,} 𝛿 चे प्रायोगिक मापन करणे_𝐶𝑃 अडचण.

क्वार्क आणि न्यूट्रिनो-सेक्टरमध्ये सीपी-उल्लंघनाचे प्रमाण मोजणाऱ्या पॅरामीटरला जार्लस्कोग अपरिवर्तनीय म्हणतात 𝐽_𝐶𝑃 (7), जे मिश्रण कोन आणि CP-उल्लंघन टप्प्याचे कार्य आहे. क्वार्क-सेक्टरसाठी 𝐽_𝐶𝑃~3×10^-5 , तर न्यूट्रिनो-सेक्टरसाठी 𝐽_𝐶𝑃~0.033 sin𝛿_𝐶𝑃, आणि अशा प्रकारे 𝐽 पेक्षा मोठ्या परिमाणाच्या तीन ऑर्डर पर्यंत असू शकते_𝐶𝑃 क्वार्क-सेक्टरमध्ये, 𝛿 च्या मूल्यावर अवलंबून_𝐶𝑃.

T2K मधील परिणाम - पदार्थ-प्रतिमॅटर विषमतेचे रहस्य सोडवण्याच्या दिशेने एक इशारा

लाँग-बेसलाइन न्यूट्रिनो दोलन प्रयोग T2K (जपानमधील टोकाई-टू-कामियोका) मध्ये, जपान प्रोटॉन एक्सीलरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स (J-PARC) येथे न्यूट्रिनो किंवा अँटीन्यूट्रिनो बीम तयार केले जातात आणि सुपर-कामियोकांडे येथील वॉटर-सेरेन्कोव्ह डिटेक्टरमध्ये आढळतात. पृथ्वीवरून २९५ किमी अंतर पार केल्यानंतर. कारण हा प्रवेगक 𝜈पैकी एकाचे बीम तयार करू शकतो_𝜇 किंवा त्याचे प्रतिकण 𝜈̅𝜇, आणि डिटेक्टर 𝜈 शोधू शकतो_𝜇,𝜈_𝑒 आणि त्यांचे प्रतिकण 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, त्यांच्याकडे चार वेगवेगळ्या दोलन प्रक्रियांचे परिणाम आहेत आणि ते दोलन मापदंडांवर कार्यक्षम सीमा मिळविण्यासाठी विश्लेषण करू शकतात. तथापि, CP-उल्लंघन टप्पा 𝛿_𝐶𝑃 जेव्हा न्युट्रिनो स्वाद बदलतात तेव्हाच दिसून येतात, म्हणजे दोलनांमध्ये 𝜈𝜇→𝜈𝑒 आणि 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - या दोन प्रक्रियांमधील कोणताही फरक लेप्टन-सेक्टरमध्ये CP-उल्लंघन दर्शवेल.

अलीकडील संप्रेषणात, T2K सहकार्याने 2009 आणि 2018 (8) दरम्यान गोळा केलेल्या डेटाचे विश्लेषण करून, न्यूट्रिनो क्षेत्रातील CP-उल्लंघनावर मनोरंजक सीमा नोंदवली आहेत. या नवीन निकालाने 𝛿 च्या सर्व संभाव्य मूल्यांपैकी सुमारे 42% नाकारले_𝐶𝑃. महत्त्वाचे म्हणजे, जेव्हा CP जतन केले जाते तेव्हा प्रकरण 95% आत्मविश्वासाने नाकारले गेले आहे आणि त्याच वेळी जास्तीत जास्त CP-उल्लंघन निसर्गात प्राधान्य दिलेले दिसते.

उच्च-ऊर्जा भौतिकशास्त्राच्या क्षेत्रात, नवीन शोधाचा दावा करण्यासाठी 5𝜎 (म्हणजे 99.999%) आत्मविश्वास आवश्यक आहे, म्हणून CP-उल्लंघन टप्प्याच्या शोधासाठी पुरेशी आकडेवारी आणि उच्च अचूकता मिळविण्यासाठी पुढील पिढीच्या प्रयोगांची आवश्यकता आहे. तथापि, अलीकडील T2K निकाल हे पदार्थ-प्रतिमॅटर विषमतेबद्दलच्या आमच्या समजण्याच्या दिशेने एक महत्त्वपूर्ण विकास आहे विश्वाची न्यूट्रिनो-सेक्टरमधील CP-उल्लंघनाद्वारे, प्रथमच.

***

संदर्भ:

1. सखारोव, आंद्रेई डी., 1991. ''सीपी इन्व्हेरिअन्सचे उल्लंघन, सी विषमता, आणि ब्रह्मांडाची बेरियन विषमता''. सोव्हिएत भौतिकशास्त्र उसपेखी, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. बारी पास्क्वेले डी, 2012. लेप्टोजेनेसिस आणि न्यूट्रिनो गुणधर्मांचा परिचय. समकालीन भौतिकशास्त्र खंड 53, 2012 – अंक 4 पृष्ठे 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. माकी झेड., नाकागावा एम. आणि साकाटा एस., 1962. प्राथमिक कणांच्या युनिफाइड मॉडेलवर टिप्पणी. सैद्धांतिक भौतिकशास्त्राची प्रगती, खंड 28, अंक 5, नोव्हेंबर 1962, पृष्ठे 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. पॉन्टेकोर्व्हो बी., 1958. इनव्हर्स बीटा प्रक्रिया आणि लेप्टन शुल्काचे गैर-संवर्धन. जर्नल ऑफ एक्सपेरिमेंटल अँड थिओरेटिकल फिजिक्स (यूएसएसआर) 34, 247-249 (जानेवारी, 1958). ऑनलाइन उपलब्ध http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 एप्रिल 2020 रोजी प्रवेश केला.

5. इंडक्टिवलोड, 2007. बीटा-वजा क्षय. [image online] येथे उपलब्ध https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 एप्रिल 2020 रोजी प्रवेश केला.

6. तानाबाशी एम., इत्यादी. (कण डेटा गट), 2018. न्यूट्रिनो मास, मिक्सिंग आणि ऑसिलेशन्स, फिज. रेव्ह. D98, 030001 (2018) आणि 2019 अपडेट. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog प्रतिसाद. फिज. रेव्ह. लेट. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. T2K कोलाबोरेशन, 2020. न्यूट्रिनो ऑसिलेशन्समध्ये मॅटर-एंटीमेटर सममिती-उल्लंघन टप्प्यावर प्रतिबंध. निसर्ग खंड 580, पृष्ठे339–344(2020). प्रकाशित: 15 एप्रिल 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***