Afslutning på materie-antimateriel asymmetri:T2K-resultater begrænser mulige værdier af neutrino CP-fase

T2K -samarbejdet har offentliggjort nye resultater, der viser den stærkeste begrænsning endnu på parameteren, der styrer afbrydelsen af ​​symmetrien mellem stof og antimateriale i neutrinooscillationer. Ved hjælp af bjælker af muonneutrinoer og muonantineutrinoer, T2K har undersøgt, hvordan disse partikler og antipartikler overgår til elektronneutrinoer og elektronantineutrinoer, henholdsvis. Parameteren, der styrer sagen/antimateriets symmetri, der bryder i neutrinooscillation, kaldet δ _cp fase, kan tage en værdi fra -180º til 180º. For første gang, T2K har ugunstiggjort næsten halvdelen af ​​de mulige værdier ved konfidensniveauet på 99,7% (3σ), og begynder at afsløre en grundlæggende egenskab ved neutrinoer, der ikke er blevet målt før nu. Dette er et vigtigt skridt på vejen til at vide, om neutrinoer og antineutrinoer opfører sig anderledes. Disse resultater, ved hjælp af data indsamlet gennem 2018, er blevet offentliggjort i det tværfaglige videnskabelige tidsskrift, Natur den 16. april.

For de fleste fænomener, fysikkens love giver en symmetrisk beskrivelse af stofets og antimateriets adfærd. Imidlertid, denne symmetri holder ikke universelt. Virkningen af ​​asymmetrien mellem stof og antimaterie er tydeligst ved observation af universet, som er sammensat af stof med lidt antimateriale. Det menes, at lige store mængder stof og antimateriale blev skabt i begyndelsen af ​​universet. Derefter, for at universet udvikler sig til en tilstand, hvor materie dominerer over antimateriale, en nødvendig betingelse er overtrædelsen af ​​den såkaldte Charge-Parity (CP) symmetri. Indtil nu, CP symmetri krænkelse er kun blevet observeret i fysikken af ​​subatomære partikler kaldet kvarker, men omfanget af CP -symmetriovertrædelsen er ikke stor nok til at forklare materiens observerede dominans over antimateriale i universet. T2K leder nu efter en ny kilde til CP -symmetriovertrædelse i neutrinooscillationer, der ville manifestere sig som en forskel i den målte oscillationssandsynlighed for neutrinoer og antineutrinoer.

T2K-eksperimentet anvender en stråle, der primært består af muonneutrinoer eller muonantineutrinoer, der er oprettet ved hjælp af protonstrålen fra Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), der ligger i landsbyen Tokai på Japans østkyst. En lille brøkdel af neutrinoerne (eller antineutrinoerne) registreres 295 km væk ved Super-Kamiokande-detektoren, ligger under et bjerg i Kamioka, nær Japans vestkyst. Når muonneutrinoerne og muon -antineutrinoerne krydser afstanden fra Tokai til Kamioka (deraf navnet T2K), en brøkdel vil svinge eller ændre smag til henholdsvis elektronneutrinoer eller elektronantineutrinoer. Elektronneutrinoerne og elektronantineutrinoerne identificeres i Super-Kamiokande-detektoren ved de ringe af Cherenkov-lys, de producerer (vist nedenfor). Selvom Super-Kamiokande ikke kan identificere hver begivenhed som en neutrino- eller antineutrino-interaktion, T2K er i stand til at studere neutrino- og antineutrino -svingningerne separat ved at betjene strålen i neutrino -tilstand eller antineutrino -tilstand.

T2K frigav et resultat, der analyserede data med 1,49x10 ²¹ og 1,64x10 ²¹ protoner fra acceleratoren til henholdsvis neutrino -stråle- og antineutrino -strålemodus. Hvis parameteren δ _cp svarer til 0º eller 180º, neutrinoerne og antineutrinoerne vil ændre deres typer (fra muon til elektron) på samme måde under svingning. Δ _cp parameter kan have en værdi, der forbedrer oscillationerne af neutrinoer eller antineutrinoer, bryder CP -symmetri. Imidlertid, observation af neutrinoer er allerede forstærket i T2K -eksperimentet ved, at detektorer og strålekabelkomponenter er fremstillet af stof og ikke antimateriale. For at adskille effekten af ​​δ _cp fra kendte strålelinje- og interaktionseffekter, T2K -analysen inkluderer korrektioner baseret på data fra magnetiserede nærdetektorer (ND280) placeret 280 m fra målet. T2K observerede 90 elektronneutrino kandidater og 15 elektron antineutrino kandidater. T2K forventer at observere 82 elektronneutrinohændelser sammenlignet med 17 elektronantineutrinohændelser for maksimal neutrinoforbedring (δ _cp =-90º) og 56 elektronneutrinohændelser sammenlignet med 22 elektronantineutrinohændelser for maksimal antineutrino-forbedring (δ _cp =+90º). Det observerede antal hændelser som en funktion af den rekonstruerede neutrinoenergi er vist nedenfor. T2K -data er mest kompatible med en værdi tæt på δ _cp =-90º, der øger oscillationssandsynligheden for neutrinoer betydeligt i T2K-eksperimentet. Ved hjælp af disse data, T2K evaluerer konfidensintervaller for parameteren δ _cp . Den ugunstige region ved 3σ (99,7%) konfidensniveau er 2º til 165º. Dette resultat repræsenterer den stærkeste begrænsning for δ _cp til dato. Værdierne på 0º og 180º er ugunstige ved 95% konfidensniveau, hvilket var tilfældet i T2Ks tidligere udgivelse i 2017, angiver, at CP -symmetri kan blive krænket i neutrino -svingninger.

Selvom dette resultat viser en stærk præference for forbedring af neutrinohastigheden i T2K, det er endnu ikke klart, om CP -symmetri er krænket eller ej. For yderligere at forbedre den eksperimentelle følsomhed over for en potentiel CP -symmetri -krænkende effekt, T2K -samarbejdet vil opgradere den nærmeste detektorsuite for at reducere systematisk usikkerhed og akkumulere flere data, og J-PARC vil øge stråleintensiteten ved at opgradere acceleratoren og strålelinjen.