QUẢNG CÁO

Vén màn bí ẩn về sự bất đối xứng giữa vật chất-phản vật chất của vũ trụ với thí nghiệm dao động neutrino

T2K, một thí nghiệm dao động neutrino cơ bản dài ở Nhật Bản, gần đây đã báo cáo một quan sát mà họ đã phát hiện ra bằng chứng mạnh mẽ về sự khác biệt giữa các đặc tính vật lý cơ bản của neutrino và của phản vật chất tương ứng, phản neutrino. Quan sát này gợi ý giải thích một trong những bí ẩn lớn nhất của khoa học - lời giải thích cho sự thống trị của vật chất trong Vũ trụ so với phản vật chất, và do đó là sự tồn tại của chúng ta.

Sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất của vũ trụ

Theo lý thuyết Vũ trụ học, các hạt và phản hạt của chúng được tạo ra thành từng cặp từ bức xạ trong vụ nổ Big-Bang. Phản hạt là phản hạt có các tính chất vật lý gần giống như các đối trọng vật chất của chúng, tức là các hạt, ngoại trừ các đặc tính điện tích và từ tính bị đảo ngược. Tuy nhiên, việc Vũ trụ tồn tại và chỉ được tạo thành từ vật chất chỉ ra rằng một số đối xứng vật chất-phản vật chất đã bị phá vỡ trong quá trình của Vụ nổ lớn, do đó các cặp không thể hủy hoàn toàn tạo ra bức xạ một lần nữa. Các nhà vật lý vẫn đang tìm kiếm các dấu hiệu của sự vi phạm đối xứng CP, từ đó có thể giải thích sự đối xứng vật chất-phản vật chất bị phá vỡ trong Vũ trụ sơ khai.

Phép đối xứng CP là sản phẩm của hai phép đối xứng khác nhau - điện tích-liên hợp (C) và sự đảo ngược chẵn lẻ (P). Sự liên hợp điện tích C khi tác dụng lên một hạt mang điện làm thay đổi dấu của điện tích, do đó một hạt mang điện tích dương trở nên mang điện tích âm và ngược lại. Các hạt trung hòa không thay đổi dưới tác dụng của C. Phép đối xứng-đảo chiều đảo ngược tọa độ không gian của hạt mà nó tác động - vì vậy một hạt thuận tay phải trở thành người thuận tay trái, tương tự như điều xảy ra khi người ta đứng trước gương. Cuối cùng, khi CP tác động lên một hạt mang điện âm thuận tay phải, nó sẽ được chuyển đổi thành hạt mang điện tích dương thuận tay trái, đó là phản hạt. Vì vậy, vật chất và phản vật chất có liên quan với nhau thông qua đối xứng CP. Do đó, CP phải bị vi phạm để tạo ra vật chất-phản vật chất bất đối xứng, được Sakharov chỉ ra lần đầu tiên vào năm 1967 (1).

Vì các tương tác hấp dẫn, điện từ cũng như mạnh đều không thay đổi theo đối xứng CP, nơi duy nhất để tìm vi phạm CP trong Tự nhiên là trong trường hợp các quark và / hoặc lepton, tương tác thông qua tương tác yếu. Cho đến nay, vi phạm CP đã được đo bằng thực nghiệm trong lĩnh vực quark, tuy nhiên, nó quá nhỏ để tạo ra sự bất đối xứng ước tính của Vũ trụ. Do đó, việc tìm hiểu vi phạm CP trong lĩnh vực lepton được các Nhà Vật lý đặc biệt quan tâm để hiểu về sự tồn tại của Vũ trụ. Vi phạm CP trong lĩnh vực lepton có thể được sử dụng để giải thích sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất thông qua một quá trình được gọi là leptogenesis (2).

Tại sao neutrino lại quan trọng?

Neutrino là những hạt nhỏ nhất, lớn nhất của Tự nhiên với điện tích bằng không. Là trung hòa về điện, neutrino không thể có tương tác điện từ, và chúng cũng không có tương tác mạnh. Neutrino có khối lượng cực nhỏ theo bậc 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), do đó tương tác hấp dẫn cũng rất yếu. Cách duy nhất neutrino có thể tương tác với các hạt khác là thông qua các tương tác yếu trong phạm vi ngắn.

Tuy nhiên, đặc tính tương tác yếu này của neutrino khiến chúng trở thành một tàu thăm dò thú vị để nghiên cứu các vật thể vật lý thiên văn ở xa. Trong khi ngay cả các photon cũng có thể bị che khuất, khuếch tán và phân tán bởi bụi, các hạt khí và bức xạ nền có trong môi trường giữa các vì sao, neutrino có thể đi qua hầu như không bị cản trở và đến được các thiết bị dò tìm trên Trái đất. Trong bối cảnh hiện tại, tương tác yếu, neutrino-sector có thể là một ứng cử viên khả thi góp phần vào vi phạm CP.

Dao động neutrino và vi phạm CP

Có ba loại neutrino (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈μ và 𝜈𝜏 – one associated with each lepton flavours electron (e), muon (𝜇) and tau (𝜏). Neutrinos are produced and detected as flavour-eigenstates via weak interactions in association with the charged lepton of corresponding flavour, while they propagate as states with definite masses, called mass-eigenstates. Thus a neutrino beam of definite flavour at the source becomes a mixture of all three different flavours at the point of detection after travelling through some path-length – the proportion of different flavour states being dependent on parameters of the system. This phenomenon is known as neutrino oscillation, which makes these tiny particles very special!

Về mặt lý thuyết, mỗi hạt neutrino hương vị-eigenstate có thể được biểu thị dưới dạng kết hợp tuyến tính của cả ba khối lượng-eigenstate và ngược lại và sự trộn lẫn có thể được mô tả bằng một ma trận đơn nhất được gọi là ma trận Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) (3,4 ,3). Ma trận trộn đơn nhất XNUMX chiều này có thể được tham số hóa bằng ba góc trộn và pha phức tạp. Trong số các pha phức tạp này, dao động neutrino chỉ nhạy với một pha, được đặt tên là 𝛿𝐶𝑃và nó là nguồn vi phạm CP duy nhất trong lĩnh vực lepton. 𝛿𝐶𝑃 có thể nhận bất kỳ giá trị nào trong khoảng −180 ° và 180 °. Trong khi 𝛿𝐶𝑃= 0, ± 180 ° có nghĩa là neutrino và phản neutrino hoạt động giống nhau và CP được bảo toàn, 𝛿𝐶𝑃= ± 90 ° cho biết mức vi phạm CP tối đa trong lĩnh vực lepton của Mô hình chuẩn. Bất kỳ giá trị trung gian nào đều là dấu hiệu của vi phạm CP ở các mức độ khác nhau. Do đó, phép đo 𝛿𝐶𝑃 là một trong những mục tiêu quan trọng nhất của cộng đồng vật lý neutrino.

Đo các thông số dao động

Neutrino được tạo ra rất nhiều trong các phản ứng hạt nhân, giống như ở Mặt trời, các ngôi sao khác và siêu tân tinh. Chúng cũng được tạo ra trong bầu khí quyển của Trái đất thông qua sự tương tác của các tia vũ trụ năng lượng cao với hạt nhân nguyên tử. Để có ý tưởng về thông lượng neutrino, khoảng 100 nghìn tỷ đi qua chúng ta mỗi giây. Nhưng chúng tôi thậm chí không nhận ra điều đó vì chúng tương tác rất yếu. Điều này làm cho phép đo các đặc tính của neutrino trong các thí nghiệm dao động của neutrino là một công việc thực sự khó khăn!

Thí nghiệm dao động neutrino
Nguồn: Wikipedia (tham khảo 5)

Để đo các hạt khó nắm bắt này, các máy dò neutrino lớn, có khối lượng hàng kg và các thí nghiệm mất vài năm để đạt được kết quả có ý nghĩa thống kê. Do tương tác yếu của chúng, các nhà khoa học đã mất khoảng 25 năm để phát hiện ra hạt neutrino đầu tiên bằng thực nghiệm sau khi Pauli công nhận sự hiện diện của chúng vào năm 1932 để giải thích sự bảo toàn động lượng-năng lượng trong phân rã beta hạt nhân (thể hiện trong hình (5)).

Các nhà khoa học đã đo cả ba góc trộn với độ chính xác hơn 90% ở độ tin cậy 99.73% (3𝜎) (6). Hai trong số các góc trộn là lớn để giải thích sự dao động của neutrino mặt trời và khí quyển, góc thứ ba (được đặt tên là 𝜃13) là giá trị nhỏ, phù hợp nhất là khoảng 8.6 °, và chỉ được đo bằng thực nghiệm gần đây vào năm 2011 bởi thí nghiệm hạt neutrino của lò phản ứng Daya-Bay ở Trung Quốc. Trong ma trận PMNS, pha 𝛿𝐶𝑃 chỉ xuất hiện trong tổ hợp sin𝜃13𝑒± 𝑖𝛿𝐶𝑃, thực hiện phép đo thực nghiệm của 𝛿𝐶𝑃 khó khăn.

Tham số định lượng mức vi phạm CP cả trong các ngành quark và neutrino được gọi là bất biến Jarlskog 𝐽𝐶𝑃 (7), là một chức năng của các góc trộn và giai đoạn vi phạm CP. Đối với quark-sector 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , trong khi đối với lĩnh vực neutrino 𝐽𝐶𝑃~ 0.033 sin𝛿𝐶𝑃, và do đó có thể lớn hơn tối đa ba bậc lớn hơn 𝐽𝐶𝑃 trong quark-sector, tùy thuộc vào giá trị của 𝛿𝐶𝑃.

Kết quả từ T2K - một gợi ý hướng tới giải đáp bí ẩn về sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất

Trong thí nghiệm dao động neutrino đường cơ sở dài T2K (Tokai-to-Kamioka ở Nhật Bản), chùm neutrino hoặc phản neutrino được tạo ra tại Tổ hợp nghiên cứu máy gia tốc Proton Nhật Bản (J-PARC) và được phát hiện tại máy dò Water-Cerenkov ở Super-Kamiokande, sau khi đi quãng đường 295km qua Trái đất. Vì máy gia tốc này có thể tạo ra chùm tia 𝜈μ hoặc phản hạt 𝜈̅𝜇 của nó, và máy dò có thể phát hiện 𝜈μ, 𝜈𝑒 và các phản hạt 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒 của chúng, chúng có kết quả từ bốn quá trình dao động khác nhau và có thể thực hiện phân tích để có được giới hạn hiệu quả đối với các tham số dao động. Tuy nhiên, giai đoạn vi phạm CP 𝛿𝐶𝑃 chỉ xuất hiện trong quá trình khi neutrino thay đổi mùi vị, tức là trong các dao động 𝜈𝜇 → 𝜈𝑒 và 𝜈̅𝜇 → 𝜈̅𝑒 - bất kỳ sự khác biệt nào trong hai quá trình này đều có nghĩa là vi phạm CP trong lepton-sector.

Trong một cuộc giao tiếp gần đây, cộng tác T2K đã báo cáo những giới hạn thú vị về vi phạm CP trong lĩnh vực neutrino, phân tích dữ liệu thu thập được trong năm 2009 và 2018 (8). Kết quả mới này đã loại trừ khoảng 42% tất cả các giá trị có thể có của 𝛿𝐶𝑃. Quan trọng hơn, trường hợp CP được bảo tồn đã được loại trừ với độ tin cậy 95%, đồng thời mức vi phạm CP tối đa dường như được ưu tiên hơn trong Tự nhiên.

Trong lĩnh vực vật lý năng lượng cao, cần có độ tin cậy 5𝜎 (tức là 99.999%) để khẳng định một khám phá mới, do đó, các thí nghiệm thế hệ tiếp theo được yêu cầu để có đủ số liệu thống kê và độ chính xác cao hơn để phát hiện ra giai đoạn vi phạm CP. Tuy nhiên, kết quả T2K gần đây là một bước phát triển đáng kể đối với sự hiểu biết của chúng ta về sự bất đối xứng vật chất-phản vật chất của Vũ trụ thông qua sự vi phạm CP trong lĩnh vực neutrino, lần đầu tiên.

***

Tài liệu tham khảo:

1. Sakharov, Andrei D., 1991. '' Vi phạm tính bất biến CP, tính bất đối xứng C và tính bất đối xứng baryon của vũ trụ ''. Liên Xô Vật lý Uspekhi, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497

2. Bari Pasquale Di, 2012. Giới thiệu về leptogenesis và các đặc tính của neutrino. Vật lý đương đại Tập 53 năm 2012 - Số 4 Trang 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096

3. Maki Z., Nakagawa M. và Sakata S., 1962. Nhận xét về mô hình hợp nhất của các hạt cơ bản. Tiến trình Vật lý lý thuyết, Tập 28, Số 5, Tháng 1962 năm 870, Trang 880–XNUMX, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870

4. Pontecorvo B., 1958. ĐẦU TƯ QUÁ TRÌNH BETA VÀ KHÔNG BẢO QUẢN PHÍ LEPTON. Tạp chí Vật lý Thực nghiệm và Lý thuyết (Liên Xô) 34, 247-249 (tháng 1958 năm XNUMX). Có sẵn trên mạng http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. Truy cập ngày 23 tháng 2020 năm XNUMX.

5. Inductiveload, 2007. Beta-trừ Decay. [hình ảnh trực tuyến] Có sẵn tại https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. Truy cập ngày 23 tháng 2020 năm XNUMX.

6. Tanabashi M., và cộng sự. (Nhóm dữ liệu hạt), 2018. Khối lượng, sự trộn lẫn và dao động của neutrino, Vật lý. Bản cập nhật D98, 030001 (2018) và 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001

7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog phản hồi. Thể chất. Rev. Lett. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875

8. Sự hợp tác T2K, năm 2020. Hạn chế về pha vi phạm đối xứng vật chất - phản vật chất trong dao động neutrino. Tự nhiên tập 580, trang339–344 (2020). Xuất bản: 15 tháng 2020 năm XNUMX. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0

***

Tiến sĩ Shamayita Ray
Tiến sĩ Shamayita Ray
Phòng thí nghiệm Vật lý Không gian, VSSC, Trivandrum, Ấn Độ.

Theo dõi bản tin của chúng tôi

Để được cập nhật tất cả các tin tức mới nhất, ưu đãi và thông báo đặc biệt.

Hầu hết các bài viết được ưa thích

Một loại thuốc mới ngăn ngừa ký sinh trùng sốt rét lây nhiễm vào Mosquitos

Các hợp chất đã được xác định có thể ngăn chặn ký sinh trùng sốt rét ...

Minoxidil cho chứng hói đầu ở nam giới: Nồng độ thấp hơn hiệu quả hơn?

Một thử nghiệm so sánh giả dược, dung dịch minoxidil 5% và 10% ...

Điều trị tê liệt bằng phương pháp mới lạ của công nghệ thần kinh

Nghiên cứu đã cho thấy sự phục hồi sau tê liệt khi sử dụng một cuốn tiểu thuyết ...
- Quảng cáo -
94,555Người hâm mộNhư
47,688Người theo dõiTheo
1,772Người theo dõiTheo
30Thuê baoTheo dõi