긴 기준선인 T2K 중성 미자 일본의 진동 실험에서는 최근 물질의 기본적인 물리적 특성 사이의 차이에 대한 강력한 증거를 발견한 관찰 결과가 보고되었습니다. 중성미자 그리고 상응하는 반물질 대응물인 반중성미자의 것. 이 관찰은 과학의 가장 큰 미스터리 중 하나, 즉 우주의 지배에 대한 설명을 암시합니다. 문제 FBI 증오 범죄 보고서 우주 반물질, 즉 우리의 존재 자체에 대한 것입니다.
우주론 이론에 따르면, 빅뱅 동안 방사선에 의해 입자와 반입자가 쌍으로 생성되었습니다. 반입자는 물리적 특성이 거의 동일한 반물질입니다. 문제 반대되는 전하와 자기 특성을 제외하고는 입자, 즉 입자입니다. 그러나, 그 우주 존재하고 물질로만 구성되어 있다는 것은 빅뱅 과정에서 일부 물질-반물질 대칭이 깨졌음을 나타내며, 그로 인해 쌍이 다시 방사선을 생성하여 완전히 소멸될 수 없었음을 나타냅니다. 물리학자들은 여전히 초기에 깨진 물질-반물질 대칭을 설명할 수 있는 CP 대칭 위반의 특징을 찾고 있습니다. 우주.
CP 대칭은 전하-공액(C)과 패리티-역전(P)이라는 두 가지 대칭의 산물입니다. 전하공액 C를 하전입자에 적용하면 전하의 부호가 바뀌므로 양전하를 띤 입자는 음전하를 띠게 되고 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 중성 입자는 C의 작용 하에서 변하지 않은 상태로 유지됩니다. 패리티 역전 대칭은 작용하는 입자의 공간 좌표를 반전시킵니다. 따라서 오른쪽 입자는 거울 앞에 서 있을 때 일어나는 것과 유사하게 왼쪽 입자가 됩니다. 마지막으로 CP가 오른쪽 음전하 입자에 작용하면 반입자인 왼쪽 양전하 입자로 변환됩니다. 따라서 문제 반물질과 반물질은 CP 대칭을 통해 서로 관련됩니다. 따라서 관찰된 결과를 생성하려면 CP를 위반해야 합니다. 물질-반물질 비대칭, 1967년 Sakharov에 의해 처음 지적되었습니다(1).
중력, 전자기 및 강한 상호작용은 CP 대칭 하에서 불변하기 때문에 자연에서 CP 위반을 찾을 수 있는 유일한 곳은 약한 상호작용을 통해 상호작용하는 쿼크 및/또는 렙톤의 경우입니다. 지금까지 CP 위반은 쿼크 섹터에서 실험적으로 측정되었지만 추정된 비대칭성을 생성하기에는 너무 작습니다. 우주. 따라서 렙톤 부문의 CP 위반을 이해하는 것은 물리학자들의 특별한 관심 사항입니다. 우주. 렙톤 부문의 CP 위반은 렙톤 생성(2)이라는 과정을 통해 물질-반물질 비대칭을 설명하는 데 사용될 수 있습니다.
중성미자는 왜 중요한가?
중성미자 전하가 전혀 없는 자연의 가장 작고 거대한 입자입니다. 전기적으로 중성이고, 중성미자 전자기 상호 작용을 가질 수 없으며 강한 상호 작용도 없습니다. 중성미자는 0.1eV(~2 × 10-37kg), 따라서 중력 상호작용도 매우 약합니다. 유일한 방법 중성미자 다른 입자와 상호 작용할 수 있는 것은 단거리 약한 상호 작용을 통해서입니다.
이 약하게 상호작용하는 속성은 중성미자그러나 멀리 떨어진 천체 물리학 물체를 연구하는 데 흥미로운 탐사선이 됩니다. 광자조차도 성간 물질에 존재하는 먼지, 가스 입자 및 배경 방사선에 의해 가려지고 확산되고 산란될 수 있지만, 중성미자 대부분 방해받지 않고 통과하여 지구 기반 탐지기에 도달할 수 있습니다. 현재 상황에서 약한 상호작용을 하는 중성미자 섹터는 CP 위반에 기여할 수 있는 실행 가능한 후보가 될 수 있습니다.
중성미자 진동 및 CP 위반
중성미자는 세 가지 유형(𝜈) – 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 그리고 𝜈𝜏 – 각 렙톤 맛 전자(e), 뮤온(𝜇) 및 타우(𝜏)와 관련된 맛입니다. 중성미자는 해당 향미의 하전된 렙톤과 관련된 약한 상호작용을 통해 향미 고유 상태로 생성되고 감지되는 반면, 질량 고유 상태라고 하는 일정한 질량을 가진 상태로 전파됩니다. 따라서 소스에서 확실한 맛을 지닌 중성미자 빔은 일부 경로 길이를 통과한 후 감지 지점에서 세 가지 다른 맛이 모두 혼합됩니다. 서로 다른 맛 상태의 비율은 시스템의 매개변수에 따라 달라집니다. 이 현상은 중성미자 진동으로 알려져 있으며, 이는 이 작은 입자를 매우 특별하게 만듭니다!
이론적으로 각각의 중성미자 풍미 고유 상태는 세 가지 질량 고유 상태 모두의 선형 조합으로 표현될 수 있으며 그 반대도 마찬가지입니다. ,3,4). 이 3차원 단일 혼합 매트릭스는 XNUMX개의 혼합 각도와 복잡한 위상으로 매개변수화될 수 있습니다. 이러한 복잡한 단계 중 중성미자 진동은 𝛿라는 하나의 단계에만 민감합니다.𝐶𝑃, 그리고 이것은 렙톤 부문에서 CP 위반의 유일한 원인입니다. 𝛿𝐶𝑃 −180° 및 180° 범위의 모든 값을 사용할 수 있습니다. 동안 𝛿𝐶𝑃=0,±180°는 중성미자와 반중성미자가 동일하게 행동하고 CP가 보존됨을 의미합니다. 𝛿𝐶𝑃=±90°는 표준 모델의 렙톤 섹터에서 최대 CP 위반을 나타냅니다. 모든 중간 값은 다른 정도에서 CP 위반을 나타냅니다. 따라서 𝛿의 측정𝐶𝑃 중성미자 물리학 커뮤니티의 가장 중요한 목표 중 하나입니다.
진동 매개변수 측정
중성미자는 태양, 다른 별 및 초신성과 같은 핵 반응 동안 풍부하게 생성됩니다. 그들은 또한 고에너지 우주선과 원자핵의 상호 작용을 통해 지구 대기에서 생성됩니다. 중성미자 플럭스에 대한 아이디어를 얻으려면 초당 약 100조 개의 에너지가 우리를 통과합니다. 그러나 그들은 매우 약하게 상호 작용하기 때문에 우리는 그것을 깨닫지조차 못합니다. 이것은 중성미자 진동 실험 동안 중성미자 속성의 측정을 정말 어려운 작업으로 만듭니다!
이러한 파악하기 어려운 입자를 측정하기 위해 중성미자 검출기는 크기가 크고 질량이 킬로톤에 달하며 통계적으로 유의미한 결과를 얻으려면 실험에 몇 년이 걸립니다. 약한 상호 작용 때문에 과학자들은 25년 Pauli가 핵 베타 붕괴에서 에너지-운동량 보존을 설명하기 위해 중성미자의 존재를 가정한 후 실험적으로 첫 번째 중성미자를 탐지하는 데 약 1932년이 걸렸습니다(그림 (5) 참조).
과학자들은 90%(99.73𝜎) 신뢰도에서 3% 이상의 정확도로 세 가지 혼합 각도를 모두 측정했습니다(6). 혼합 각도 중 두 개는 태양 및 대기 중성미자의 진동을 설명하기 위해 크며, 세 번째 각도(이름: 𝜃13)은 작고 최적의 값은 약 8.6°이며 중국의 원자로 중성미자 실험 Daya-Bay에서 2011년에야 실험적으로 측정되었습니다. PMNS 행렬에서 위상 𝛿𝐶𝑃 sin𝜃 조합에서만 나타납니다.13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, 𝛿의 실험적 측정𝐶𝑃 어려운.
쿼크 및 중성미자 섹터 모두에서 CP 위반의 양을 정량화하는 매개변수를 Jarlskog 불변량이라고 합니다.𝐶𝑃 (7), 이는 혼합 각도와 CP 위반 위상의 함수입니다. 쿼크 섹터용 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , 중성미자 섹터에 대해 𝐽𝐶𝑃~0.033 죄𝛿𝐶𝑃, 따라서 𝐽보다 최대 XNUMX배 더 클 수 있습니다.𝐶𝑃 쿼크 섹터에서 𝛿의 값에 따라𝐶𝑃.
T2K의 결과 – 물질-반물질 비대칭의 미스터리를 풀기 위한 힌트
긴 기준선 중성미자 진동 실험 T2K(일본의 Tokai-to-Kamioka)에서 중성미자 또는 반중성미자 빔은 J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex)에서 생성되고 Super-Kamiokande의 Water-Cerenkov 검출기에서 감지됩니다. 지구를 통해 295km 거리를 여행한 후. 이 가속기는 다음 중 하나의 빔을 생성할 수 있기 때문에 𝜈𝜇 또는 그것의 반입자 𝜈̅𝜇, 그리고 검출기는 𝜈𝜇,𝜈𝑒 그리고 그들의 반입자 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, 그들은 XNUMX가지 다른 진동 프로세스의 결과를 가지고 있으며 진동 매개변수에 대한 효율적인 경계를 얻기 위해 분석을 수행할 수 있습니다. 단, CP 위반 단계 𝛿𝐶𝑃 𝜈𝜇→𝜈𝑒 및 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒와 같이 중성미자가 풍미를 변경할 때에만 나타납니다. 이 두 프로세스의 차이는 렙톤 섹터에서 CP 위반을 의미합니다.
최근 통신에서 T2K 협업은 2009년과 2018년 동안 수집된 데이터를 분석하여 중성미자 부문에서 CP 위반에 대한 흥미로운 경계를 보고했습니다(8). 이 새로운 결과는 𝛿의 가능한 모든 값의 약 42%를 배제했습니다.𝐶𝑃. 더 중요한 것은 CP가 보존되는 경우가 95% 신뢰에서 배제되었으며 동시에 최대 CP 위반이 자연에서 선호되는 것으로 보입니다.
고에너지 물리학 분야에서는 새로운 발견을 주장하기 위해서는 5𝜎(즉, 99.999%)의 신뢰도가 필요하므로 CP 위반 단계의 발견을 위해 충분한 통계와 더 높은 정밀도를 얻으려면 차세대 실험이 필요합니다. 그러나 최근의 T2K 결과는 물질-반물질 비대칭에 대한 우리의 이해를 향한 중요한 발전입니다. 우주 중성미자 부문에서 처음으로 CP 위반을 통해.
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참조 :
1. Sakharov, Andrei D., 1991. ''우주의 CP 불변성, C 비대칭 및 중입자 비대칭 위반''. 소련 물리학 Uspekhi, 1991, 34(5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. 렙톤 생성 및 중성미자 속성 소개. 현대 물리학 53권, 2012 – 4호 페이지 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. 및 Sakata S., 1962. 소립자의 통합 모델에 대한 언급. 이론 물리학의 발전, 28권, 5호, 1962년 870월, 페이지 880–XNUMX, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. 역 베타 프로세스 및 LEPTON 전하의 비보존. 실험 및 이론 물리학 저널(USSR) 34, 247-249(1958년 XNUMX월). 사용 가능한 온라인 http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23년 2020월 XNUMX일에 확인함.
5. 유도 부하, 2007. 베타 마이너스 감쇠. [이미지 온라인]에서 사용 가능 https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23년 2020월 XNUMX일에 액세스함.
6. Tanabashi M., et al. (입자 데이터 그룹), 2018. 중성미자 질량, 혼합 및 진동, Phys. Rev. D98, 030001(2018) 및 2019 업데이트. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog 응답. 물리. 레트 목사 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. 중성미자 진동에서 물질-반물질 대칭-위반 위상에 대한 제약. 네이처 580권, 339-344페이지(2020). 게시: 15년 2020월 XNUMX일. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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