T2K, a long-baseline நியூட்ரினோ oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of நியூட்ரினோக்கள் and that of the corresponding antimatter counterpart, anti-neutrinos. This observation hints at explaining one of the biggest mysteries of science – an explanation for the domination of விஷயம் உள்ள பிரபஞ்சம் over antimatter, and thus our very existence.
தி விஷயம்-antimatter asymmetry of the பிரபஞ்சம்
According to the theory of Cosmology, particles and their antiparticles were produced in pairs from radiation during Big-Bang. Antiparticles are antimatters having nearly same physical properties as their விஷயம் counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the பிரபஞ்சம் exists and is made up of only matter indicates that some matter-antimatter symmetry was broken during the course of Big-Bang, because of which the pairs could not annihilate completely producing radiation again. Physicists are still looking for signatures of CP-symmetry violation, which in turn can explain the broken matter-antimatter symmetry in the early பிரபஞ்சம்.
CP-symmetry is the product of two different symmetries – charge-conjugation (C) and parity-reversal (P). Charge-conjugation C when applied on a charged-particle changes the sign of its charge, so a positively charged particle becomes negatively-charged and vice-versa. Neutral particles remain unchanged under the action of C. Parity-reversal symmetry reverses the spatial coordinates of the particle it is acting upon – so a right-handed particle becomes left-handed, similar to what happens when one stands in front of a mirror. Finally, when CP acts on a right-handed negatively-charged particle, it is converted into a left-handed positively-charged one, which is the antiparticle. Thus விஷயம் and antimatter are related to each other through CP-symmetry. Hence CP must have been violated in order to generate the observed பொருள்-ஆன்டிமேட்டர் சமச்சீரற்ற தன்மை, இது முதன்முதலில் 1967 இல் சாகரோவ் மூலம் சுட்டிக்காட்டப்பட்டது (1).
Since gravitational, electromagnetic as well as strong interactions are invariant under CP-symmetry, the only place to look for CP-violation in Nature is in case of quarks and/or leptons, that interact through weak interaction. Until now, CP-violation has been measured experimentally in the quark-sector, however, it is too small to generate the estimated asymmetry of the பிரபஞ்சம். Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the பிரபஞ்சம். The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
நியூட்ரினோக்கள் ஏன் முக்கியமானவை?
நியூட்ரினோக்கள் are the tiniest, massive particles of Nature with zero electric charge. Being electrically neutral, நியூட்ரினோக்கள் cannot have electromagnetic interactions, and they do not have strong interactions either. Neutrinos have tiny masses of the order of 0.1 eV (~ 2 × 10-37kg), hence gravitational interaction is also very weak. The only way நியூட்ரினோக்கள் can interact with other particles is through short-range weak interactions.
This weakly-interacting property of the நியூட்ரினோக்கள், however, makes them an interesting probe to study far away astrophysical objects. While even photons can be obscured, diffused and scattered by the dust, gas particles and background radiations present in the interstellar medium, நியூட்ரினோக்கள் can pass mostly unhindered and reach the Earth-based detectors. In the current context, being weakly-interacting, neutrino-sector can be a viable candidate to contribute to the CP-violation.
நியூட்ரினோ அலைவு மற்றும் சிபி மீறல்
மூன்று வகையான நியூட்ரினோக்கள் உள்ளன (𝜈) - 𝜈𝑒,𝜇 மற்றும் 𝜈𝜏 - எலக்ட்ரான் (e), மியூன் (𝜇) மற்றும் டவு (𝜏) ஆகிய லெப்டானுடன் தொடர்புடைய ஒன்று. நியூட்ரினோக்கள் உற்பத்தி செய்யப்பட்டு சுவை-ஈஜென்ஸ்டேட்டுகளாக, தொடர்புடைய சுவையின் சார்ஜ் செய்யப்பட்ட லெப்டானுடன் இணைந்து பலவீனமான இடைவினைகள் மூலம் கண்டறியப்படுகின்றன, அதே நேரத்தில் அவை மாஸ்-ஈஜென்ஸ்டேட்ஸ் எனப்படும் திட்டவட்டமான வெகுஜனங்களைக் கொண்ட மாநிலங்களாகப் பரவுகின்றன. இவ்வாறு ஆதாரத்தில் உள்ள நிச்சயமான சுவையுடைய நியூட்ரினோ கற்றையானது சில பாதை-நீளத்தில் பயணித்தபின் கண்டறியும் புள்ளியில் மூன்று வெவ்வேறு சுவைகளின் கலவையாக மாறுகிறது - வெவ்வேறு சுவை நிலைகளின் விகிதம் அமைப்பின் அளவுருக்கள் சார்ந்தது. இந்த நிகழ்வு நியூட்ரினோ அலைவு என அழைக்கப்படுகிறது, இது இந்த சிறிய துகள்களை மிகவும் சிறப்பானதாக ஆக்குகிறது!
கோட்பாட்டளவில், நியூட்ரினோ சுவை-ஈஜென்ஸ்டேட்டுகள் ஒவ்வொன்றும் மூன்று நிறை-ஈஜென்ஸ்டேட்டுகளின் நேரியல் கலவையாக வெளிப்படுத்தப்படலாம் மற்றும் நேர்மாறாகவும், கலவையை Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) அணி (PMNS) என்ற ஒற்றை அணியால் விவரிக்க முடியும். ,3,4). இந்த 3-பரிமாண யூனிட்டரி கலவை மேட்ரிக்ஸை மூன்று கலவை கோணங்கள் மற்றும் சிக்கலான கட்டங்கள் மூலம் அளவுருவாக மாற்றலாம். இந்த சிக்கலான கட்டங்களில், நியூட்ரினோ அலைவு ஒரு கட்டத்திற்கு மட்டுமே உணர்திறன் கொண்டது, 𝛿𝐶𝑃, மற்றும் இது லெப்டான்-செக்டரில் CP- மீறலின் தனித்துவமான ஆதாரமாகும். 𝛿𝐶𝑃 −180° மற்றும் 180° வரம்பில் எந்த மதிப்பையும் எடுக்கலாம். போது 𝛿𝐶𝑃=0, ±180° என்பது நியூட்ரினோக்கள் மற்றும் ஆன்டிநியூட்ரினோக்கள் ஒரே மாதிரியாக செயல்படுகின்றன மற்றும் CP பாதுகாக்கப்படுகிறது, 𝛿𝐶𝑃= ±90° என்பது ஸ்டாண்டர்ட் மாடலின் லெப்டான் பிரிவில் அதிகபட்ச CP-மீறலைக் குறிக்கிறது. எந்த இடைநிலை மதிப்பும் வெவ்வேறு அளவுகளில் CP- மீறலைக் குறிக்கிறது. எனவே 𝛿 அளவீடு𝐶𝑃 நியூட்ரினோ இயற்பியல் சமூகத்தின் மிக முக்கியமான குறிக்கோள்களில் ஒன்றாகும்.
அலைவு அளவுருக்களின் அளவீடு
சூரியன், பிற நட்சத்திரங்கள் மற்றும் சூப்பர்நோவாக்கள் போன்ற அணுக்கரு வினைகளின் போது நியூட்ரினோக்கள் ஏராளமாக உற்பத்தி செய்யப்படுகின்றன. அணுக்கருக்களுடன் அதிக ஆற்றல் கொண்ட காஸ்மிக் கதிர்களின் தொடர்பு மூலம் அவை பூமியின் வளிமண்டலத்தில் உற்பத்தி செய்யப்படுகின்றன. நியூட்ரினோ ஃப்ளக்ஸ் பற்றிய யோசனையைப் பெற, ஒவ்வொரு நொடியும் சுமார் 100 டிரில்லியன் நம்மை கடந்து செல்கிறது. ஆனால் அவர்கள் மிகவும் பலவீனமாக தொடர்புகொள்வதால் நாம் அதை உணரவில்லை. இது நியூட்ரினோ அலைவு சோதனைகளின் போது நியூட்ரினோ பண்புகளை அளவிடுவது மிகவும் சவாலான வேலையாக உள்ளது!
இந்த மழுப்பலான துகள்களை அளவிட, நியூட்ரினோ டிடெக்டர்கள் பெரியவை, கிலோ-டன் நிறை கொண்டவை மற்றும் புள்ளிவிவர ரீதியாக குறிப்பிடத்தக்க முடிவுகளை அடைய சோதனைகள் பல ஆண்டுகள் ஆகும். அவர்களின் பலவீனமான தொடர்புகளின் காரணமாக, அணுக்கரு பீட்டா சிதைவில் (படம் (25) காட்டப்பட்டுள்ளது) ஆற்றல்-வேகப் பாதுகாப்பை விளக்க 1932 ஆம் ஆண்டில் பாலி அவர்களின் இருப்பை முன்வைத்த பின்னர், விஞ்ஞானிகள் முதல் நியூட்ரினோவை சோதனை முறையில் கண்டறிய சுமார் 5 ஆண்டுகள் ஆனது.
விஞ்ஞானிகள் மூன்று கலவை கோணங்களையும் 90% க்கும் அதிகமான துல்லியத்துடன் 99.73% (3𝜎) நம்பிக்கையில் அளந்துள்ளனர் (6). சூரிய மற்றும் வளிமண்டல நியூட்ரினோக்களின் அலைவுகளை விளக்க இரண்டு கலப்புக் கோணங்கள் பெரியவை, மூன்றாவது கோணம் (பெயர் 𝜃13) சிறியது, மிகவும் பொருத்தமான மதிப்பு தோராயமாக 8.6° ஆகும், மேலும் இது சமீபத்தில் 2011 இல் சீனாவில் தயா-பே என்ற அணு உலை நியூட்ரினோ பரிசோதனை மூலம் சோதனை ரீதியாக அளவிடப்பட்டது. PMNS மேட்ரிக்ஸில், கட்டம் 𝛿𝐶𝑃 பாவம் சேர்க்கையில் மட்டுமே தோன்றும்13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, 𝛿 இன் சோதனை அளவீடு𝐶𝑃 கடினமான.
குவார்க் மற்றும் நியூட்ரினோ-செக்டர்கள் இரண்டிலும் CP- மீறலின் அளவைக் கணக்கிடும் அளவுரு ஜார்ல்ஸ்கோக் மாறாத 𝐽𝐶𝑃 (7), இது கலப்பு கோணங்களின் செயல்பாடு மற்றும் CP-ஐ மீறும் கட்டமாகும். குவார்க் செக்டருக்கு 𝐽𝐶𝑃~3×10-5 , நியூட்ரினோ துறைக்கு 𝐽𝐶𝑃~0.033 பாவம்𝛿𝐶𝑃, இதனால் 𝐽 ஐ விட மூன்று ஆர்டர்கள் பெரியதாக இருக்கலாம்𝐶𝑃 குவார்க் பிரிவில், 𝛿 மதிப்பைப் பொறுத்து𝐶𝑃.
T2K இன் முடிவு - பொருள்-ஆன்டிமேட்டர் சமச்சீரற்ற மர்மத்தைத் தீர்ப்பதற்கான ஒரு குறிப்பு
நீண்ட அடிப்படை நியூட்ரினோ அலைவு பரிசோதனையில் T2K (ஜப்பானில் Tokai-to-Kamioka), நியூட்ரினோ அல்லது ஆன்டிநியூட்ரினோ கற்றைகள் ஜப்பான் புரோட்டான் முடுக்கி ஆராய்ச்சி வளாகத்தில் (J-PARC) உருவாக்கப்பட்டு சூப்பர்-காமியோகாண்டில் உள்ள நீர்-செரென்கோவ் டிடெக்டரில் கண்டறியப்பட்டது. பூமியில் 295 கிமீ தூரம் பயணித்த பிறகு. இந்த முடுக்கி 𝜈 கற்றைகளை உருவாக்க முடியும் என்பதால்𝜇 அல்லது அதன் எதிர் துகள்கள்𝜇,𝜈𝑒 மற்றும் அவற்றின் எதிர் துகள்கள் 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, அவை நான்கு வெவ்வேறு அலைவு செயல்முறைகளின் முடிவுகளைக் கொண்டுள்ளன மற்றும் அலைவு அளவுருக்களில் திறமையான வரம்புகளைப் பெற பகுப்பாய்வு செய்யலாம். இருப்பினும், CP-ஐ மீறும் கட்டம் 𝛿𝐶𝑃 நியூட்ரினோக்கள் சுவைகளை மாற்றும் செயல்பாட்டில் மட்டுமே தோன்றும், அதாவது அலைவுகளில் 𝜇→𝜈𝑒 மற்றும் 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - இந்த இரண்டு செயல்முறைகளில் ஏதேனும் வித்தியாசம் லெப்டான்-பிரிவில் CP-மீறலைக் குறிக்கும்.
சமீபத்திய தகவல்தொடர்பு ஒன்றில், 2 மற்றும் 2009 (2018) இல் சேகரிக்கப்பட்ட தரவுகளை பகுப்பாய்வு செய்து, நியூட்ரினோ துறையில் CP-மீறல் பற்றிய சுவாரஸ்யமான வரம்புகளை T8K ஒத்துழைப்பு அறிக்கை செய்துள்ளது. இந்த புதிய முடிவு 𝛿 இன் சாத்தியமான அனைத்து மதிப்புகளிலும் 42% ஐ நிராகரித்தது𝐶𝑃. மிக முக்கியமாக, CP பாதுகாக்கப்படும் போது 95% நம்பிக்கை நிராகரிக்கப்பட்டது, அதே நேரத்தில் அதிகபட்ச CP-மீறல் இயற்கையில் விரும்பப்படுகிறது.
In the field of high-energy physics, a 5𝜎 (i.e. 99.999%) confidence is required for claiming a new discovery, therefore next generation experiments are required to get sufficient statistics and higher precision for the discovery of the CP-violating phase. However recent T2K result is a significant development towards our understanding of the matter-antimatter asymmetry of the பிரபஞ்சம் through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
***
குறிப்புகள்:
1. Sakharov,Andrei D., 1991. ''சிபி மாறுபாட்டின் மீறல், C சமச்சீரற்ற தன்மை மற்றும் பிரபஞ்சத்தின் பேரியன் சமச்சீரற்ற தன்மை''. சோவியத் இயற்பியல் உஸ்பெகி, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. பாரி பாஸ்குவேல் டி, 2012. லெப்டோஜெனிசிஸ் மற்றும் நியூட்ரினோ பண்புகளுக்கான அறிமுகம். தற்கால இயற்பியல் தொகுதி 53, 2012 – வெளியீடு 4 பக்கங்கள் 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. மற்றும் Sakata S., 1962. அடிப்படைத் துகள்களின் ஒருங்கிணைந்த மாதிரி பற்றிய குறிப்புகள். கோட்பாட்டு இயற்பியலின் முன்னேற்றம், தொகுதி 28, வெளியீடு 5, நவம்பர் 1962, பக்கங்கள் 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. பொன்டெகோர்வோ பி., 1958. தலைகீழ் பீட்டா செயல்முறைகள் மற்றும் லெப்டன் சார்ஜ் பாதுகாப்பு இல்லாதது. பரிசோதனை மற்றும் தத்துவார்த்த இயற்பியல் இதழ் (USSR) 34, 247-249 (ஜனவரி, 1958). ஆன்லைனில் கிடைக்கும் http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 ஏப்ரல் 2020 அன்று அணுகப்பட்டது.
5. இண்டக்டிவ்லோட், 2007. பீட்டா-மைனஸ் டிகே. [படம் ஆன்லைனில்] கிடைக்கிறது https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 ஏப்ரல் 2020 அன்று அணுகப்பட்டது.
6. தனபாஷி எம்., மற்றும் பலர். (துகள் தரவு குழு), 2018. நியூட்ரினோ நிறை, கலவை மற்றும் அலைவு, இயற்பியல். Rev. D98, 030001 (2018) மற்றும் 2019 புதுப்பிப்பு. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. ஜார்ல்ஸ்கோக், சி., 1986. ஜார்ல்ஸ்கோக் பதிலளிக்கிறார். இயற்பியல் ரெவ். லெட். 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. T2K ஒத்துழைப்பு, 2020. நியூட்ரினோ அலைவுகளில் மேட்டர்-ஆன்டிமேட்டர் சமச்சீர் மீறல் கட்டத்தின் மீதான கட்டுப்பாடு. இயற்கை தொகுதி 580, பக்கங்கள்339–344(2020). வெளியிடப்பட்டது: 15 ஏப்ரல் 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
