T2K、長い基線 ニュートリノ 日本での振動実験では、最近、物体の基本的な物理的特性の違いを示す強力な証拠が検出されたという観察結果が報告されました。 ニュートリノ そして、対応する反物質、反ニュートリノのそれ。この観察は、科学の最大の謎の 1 つである、物質の支配の説明を示唆しています。 問題 セクションに 宇宙 反物質、ひいては私たちの存在そのものをめぐって。
宇宙論によれば、粒子とその反粒子はビッグバン中に放射線からペアで生成されました。反粒子は、反粒子とほぼ同じ物理的性質を持つ反物質です。 問題 対応するもの、つまり、反転した電荷と磁気特性を除いた粒子。しかし 宇宙 物質のみが存在し、物質だけで構成されているということは、ビッグバンの過程で物質と反物質の対称性が破れたため、ペアが完全に消滅できずに再び放射線を生成したことを示しています。物理学者たちは依然としてCP対称性の破れの兆候を探しており、これによって初期の物質と反物質の対称性の破れを説明できる可能性がある。 宇宙.
CP 対称性は、電荷共役 (C) とパリティ反転 (P) という 2 つの異なる対称性の積です。電荷共役 C を荷電粒子に適用すると、その電荷の符号が変化するため、正に帯電した粒子は負に帯電し、その逆も同様です。中性粒子は、C の作用下でも変化しません。パリティ反転対称性は、作用している粒子の空間座標を反転します。そのため、鏡の前に立ったときに起こるのと同じように、右巻きの粒子が左巻きになります。最後に、CP が右巻きの負に帯電した粒子に作用すると、左巻きの正に帯電した粒子、つまり反粒子に変換されます。したがって 問題 と反物質はCP対称性を通じて互いに関係しています。したがって、観察された結果を生成するには、CP が違反されている必要があります。 物質-物質の非対称性、これは1967年にサハロフによって最初に指摘されました（1）。
重力、電磁気、および強い相互作用は CP 対称性の下では不変であるため、自然界で CP の破れを探す唯一の場所は、弱い相互作用を通じて相互作用するクォークおよび/またはレプトンの場合です。これまで、CP 破れはクォークセクターで実験的に測定されてきましたが、小さすぎるため、推定される非対称性を生成できませんでした。 宇宙。したがって、レプトンセクターにおける CP 違反を理解することは、物理学者にとって、レプトンセクターの存在を理解する上で特に興味深いものです。 宇宙。レプトンセクターにおける CP の破れは、レプトン生成と呼ばれるプロセスを通じて物質と反物質の非対称性を説明するために使用できます (2)。
ニュートリノが重要なのはなぜですか？
ニュートリノ 自然界で最も小さく、電荷がゼロの巨大な粒子です。電気的に中性であるため、 ニュートリノ 電磁相互作用はできず、強い相互作用もありません。ニュートリノの質量は 0.1 eV (約 2 × 10-) 程度です。37kg)、したがって重力相互作用も非常に弱いです。唯一の方法 ニュートリノ 他の粒子と相互作用できるのは、短距離の弱い相互作用です。
この弱く相互作用する性質は、 ニュートリノただし、遠く離れた天体物理学的天体を研究するための興味深い探査機になります。光子でさえ、星間物質に存在する塵、ガス粒子、背景放射線によって隠されたり、拡散したり、散乱したりすることがありますが、 ニュートリノ ほとんど妨げられることなく通過し、地球上の検出器に到達することができます。現在の状況では、相互作用が弱いニュートリノセクターは、CP 違反に寄与する有力な候補となる可能性があります。
ニュートリノ振動とCP対称性の破れ
ニュートリノにはXNUMXつのタイプがあります（𝜈）–𝜈𝑒、𝜈μ と𝜈𝜏 – 各レプトンに関連付けられているものは、電子 (e)、ミューオン (𝜇)、タウ (𝜏) の味を持ちます。ニュートリノは、対応するフレーバーの荷電レプトンとの弱い相互作用を介してフレーバー固有状態として生成および検出されますが、質量固有状態と呼ばれる明確な質量を持つ状態として伝播します。したがって、線源における明確なフレーバーのニュートリノ ビームは、ある経路長を通過した後、検出点で 3 つの異なるフレーバーすべての混合物になります。異なるフレーバー状態の割合はシステムのパラメーターに依存します。この現象はニュートリノ振動として知られており、これがこれらの小さな粒子を非常に特別なものにしています。
理論的には、ニュートリノフレーバー固有状態のそれぞれは、3,4つの質量固有状態すべての線形結合として表すことができ、その逆も可能です。混合は、ポンテコルボマキナカガワサカタ（PMNS）行列と呼ばれるユニタリ行列で表すことができます（3 、XNUMX）。 このXNUMX次元の単一混合行列は、XNUMXつの混合角度と複雑な位相によってパラメーター化できます。 これらの複雑な相のうち、ニュートリノ振動は𝛿という名前のXNUMXつの相のみに敏感です𝐶𝑃、そしてそれはレプトンセクターにおけるCP対称性の破れのユニークな原因です。 𝛿𝐶𝑃 -180°から180°の範囲の任意の値を取ることができます。 𝛿𝐶𝑃= 0、±180°は、ニュートリノと反ニュートリノが同じように動作し、CPが保存されていることを意味します𝛿𝐶𝑃=±90°は、標準模型のレプトンセクターにおける最大CP対称性の破れを示します。 中間値は、さまざまな程度でのCP対称性の破れを示します。 したがって、𝛿の測定𝐶𝑃 ニュートリノ物理学コミュニティの最も重要な目標のXNUMXつです。
振動パラメータの測定
ニュートリノは、太陽、他の星、超新星のように、核反応中に大量に生成されます。 それらはまた、高エネルギー宇宙線と原子核との相互作用を通じて地球の大気中で生成されます。 ニュートリノフラックスのアイデアを得るには、毎秒約100兆が私たちを通過します。 しかし、彼らは非常に弱い相互作用をしているので、私たちはそれを認識していません。 これにより、ニュートリノ振動実験中のニュートリノ特性の測定は非常に困難な作業になります。
これらのとらえどころのない粒子を測定するために、ニュートリノ検出器は大きく、キロトンの質量を持ち、統計的に有意な結果を達成するために実験には数年かかります。 相互作用が弱いため、25年にパウリが核ベータ崩壊におけるエネルギーと運動量の保存を説明するために彼らの存在を仮定した後、科学者が最初のニュートリノを実験的に検出するのに約1932年かかりました（図（5）に示されています）。
科学者は、90％（99.73𝜎）の信頼度で3％以上の精度で6つの混合角度すべてを測定しました（XNUMX）。 混合角度のうちのXNUMXつは、太陽ニュートリノと大気ニュートリノの振動を説明するために大きく、XNUMX番目の角度（𝜃という名前）13）は小さく、最適値は約8.6°であり、2011年に中国のリアクトルニュートリノ実験Daya-Bayによって実験的に測定されました。 PMNSマトリックスでは、フェーズ𝛿𝐶𝑃 組み合わせsin𝜃でのみ表示されます13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, 𝛿の実験的測定を行う𝐶𝑃 難しい
クォークとニュートリノの両方のセクターにおけるCP対称性の破れの量を定量化するパラメーターは、Jarlskog不変量と呼ばれます𝐽𝐶𝑃 （7）、これは混合角とCP対称性の破れの位相の関数です。 クォークセクターの場合𝐽𝐶𝑃〜3×10-5 、ニュートリノセクターの場合𝐽𝐶𝑃〜0.033sin𝛿𝐶𝑃、したがって、最大XNUMX桁大きくなる可能性があります𝐽𝐶𝑃 𝛿の値に応じて、クォークセクターで𝐶𝑃.
T2Kの結果–物質-反物質の非対称性の謎を解くためのヒント
ロングベースラインニュートリノ振動実験T2K（日本の東海から神岡）では、ニュートリノまたは反ニュートリノビームが日本原子力研究開発機構（J-PARC）で生成され、スーパーカミオカンデの水セレンコフ検出器で検出されます。地球を295kmの距離を移動した後。 この加速器はどちらかのビームを生成できるので𝜈μ またはその反粒子𝜈̅𝜇、そして検出器は𝜈を検出することができますμ、𝜈𝑒 そしてそれらの反粒子𝜈̅𝜇、𝜈̅𝑒、それらはXNUMXつの異なる振動プロセスからの結果を持ち、振動パラメーターの効率的な限界を取得するために分析を実行できます。 ただし、CP対称性の破れの段階𝛿𝐶𝑃 ニュートリノがフレーバーを変化させるプロセス、つまり振動𝜈𝜇→𝜈𝑒と𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒にのみ現れます。これらXNUMXつのプロセスの違いは、レプトンセクターのCP対称性の破れを意味します。
最近の通信で、T2Kコラボレーションは、2009年と2018年に収集されたデータを分析して、ニュートリノセクターにおけるCP対称性の破れの興味深い限界を報告しました（8）。 この新しい結果は、𝛿のすべての可能な値の約42％を除外しました𝐶𝑃。 さらに重要なことに、CPが保存されている場合は95％の信頼度で除外されており、同時に最大のCP対称性の破れが自然界で好まれているようです。
高エネルギー物理学の分野では、新しい発見を主張するには 5𝜎 (つまり 99.999%) の信頼度が必要であるため、CP 違反相の発見には十分な統計とより高い精度を得るために次世代の実験が必要です。しかし、最近の T2K の結果は、物質と反物質の非対称性の理解に向けた重要な進歩です。 宇宙 ニュートリノセクターにおけるCP違反を通じて、初めて。
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参照：
1. Sakharov、Andrei D.、1991年。「CP対称性の破れ、C非対称性、および宇宙のバリオン非対称性」。 Soviet Physics Uspekhi、1991、34（5）、392–393。 DOI： https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di、2012年。レプトン数生成とニュートリノ特性の紹介。 Contemporary Physics Volume 53、2012 – Issue 4 Pages315-338。 DOI： https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3.牧Z.、中川M.、坂田S.、1962年。素粒子の統一モデルについての意見。 Progress of Theoretical Physics、Volume 28、Issue 5、November 1962、Pages 870–880、DOI： https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B.、1958年。逆ベータプロセスとレプトン電荷の非保存。 Journal of Experimental and Theoretical Physics（USSR）34、247-249（1958年XNUMX月）。 オンラインで入手可能 http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23年2020月XNUMX日にアクセス。
5.誘導負荷、2007年。ベータマイナス崩壊。 [オンライン画像]で入手可能 https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23年2020月XNUMX日にアクセス。
6.田橋正明ほか（パーティクルデータグループ）、2018年。ニュートリノの質量、混合、および振動、物理学。 Rev. D98、030001（2018）および2019アップデート。 DOI： https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog、C.、1986.Jarlskogが応答します。 物理学レット牧師57、2875。DOI： https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. T2Kコラボレーション、2020年。ニュートリノ振動における物質-反物質の対称性に違反する位相に対する制約。 Nature volume 580、339〜344ページ（2020）。 公開日：15年2020月XNUMX日。DOI： https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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