T2K, קו בסיס ארוך הניטרינו ניסוי תנודות ביפן, דיווח לאחרונה על תצפית שבה הם גילו עדות חזקה להבדל בין תכונות פיזיקליות בסיסיות של נויטרינו וזה של המקביל האנטי-חומרי, אנטי-נייטרינו. תצפית זו מרמזת להסביר את אחת התעלומות הגדולות ביותר של המדע - הסבר לשליטה של דבר ב עולם על אנטי-חומר, ובכך עצם קיומנו.
אל האני דבראסימטריה אנטי-חומר של עולם
על פי התיאוריה של הקוסמולוגיה, חלקיקים ואנטי-חלקיקים שלהם הופקו בזוגות מקרינה במהלך המפץ הגדול. אנטי-חלקיקים הם אנטי-חומרים בעלי כמעט תכונות פיזיקליות כמו שלהם דבר מקבילים כלומר חלקיקים, למעט מטען חשמלי ומאפיינים מגנטיים הפוכים. אולם, ה עולם קיים ומורכב רק מחומר מעיד על כך שסימטריה כלשהי של חומר אנטי-חומר נשברה במהלך המפץ הגדול, שבגללה הזוגות לא יכלו להכחיד לחלוטין וייצרו שוב קרינה. פיזיקאים עדיין מחפשים חתימות של הפרת סימטריית CP, אשר בתורה יכולה להסביר את הסימטריה השבורה של חומר אנטי-חומר בתחילת הדרך עולם.
סימטריית CP היא תוצר של שתי סימטריות שונות - צימוד מטען (C) והיפוך זוגיות (P). מטען-צימוד C כאשר מיושם על חלקיק טעון משנה את סימן המטען שלו, כך שחלקיק בעל מטען חיובי הופך למטען שלילי ולהיפך. חלקיקים ניטרליים נשארים ללא שינוי בפעולת C. סימטריית היפוך זוגיות הופכת את הקואורדינטות המרחביות של החלקיק שעליו הוא פועל - כך שחלקיק ימני הופך לשמאלי, בדומה למה שקורה כשעומדים מול מראה. לבסוף, כאשר CP פועל על חלקיק בעל מטען שלילי ימני, הוא הופך לחלקיק בעל מטען חיובי שמאלי, שהוא האנטי-חלקיק. לכן דבר ואנטי-חומר קשורים זה לזה באמצעות סימטריית CP. לפיכך CP חייב להיות הפרה על מנת ליצור את הנצפה אסימטריה של חומר אנטי-חומר, שעליו הצביע לראשונה סחרוב ב-1967 (1).
מכיוון שאינטראקציות כבידתיות, אלקטרומגנטיות כמו גם חזקות אינן משתנות תחת סימטריית CP, המקום היחיד לחפש הפרת CP בטבע הוא במקרה של קווארקים ו/או לפטונים, המקיימים אינטראקציה חלשה. עד כה, הפרת CP נמדדה בניסוי בגזרת הקווארקים, אולם היא קטנה מכדי ליצור את האסימטריה המשוערת של עולם. מכאן שהבנת הפרת ה-CP במגזר הלפטון מעניינת במיוחד את הפיזיקאים כדי להבין את קיומו של עולם. ניתן להשתמש בהפרת ה-CP במגזר הלפטון כדי להסביר את אסימטריית החומר-אנטי-חומר באמצעות תהליך הנקרא לפטוגנזה (2).
מדוע הנייטרינו חשובים?
נויטרינו הם החלקיקים הזעירים והמסיביים ביותר של הטבע עם אפס מטען חשמלי. להיות ניטרלי חשמלי, נויטרינו לא יכול להיות אינטראקציות אלקטרומגנטיות, וגם אין להם אינטראקציות חזקות. לנוטרינו יש מסות זעירות בסדר גודל של 0.1 eV (~ 2 × 10-37ק"ג), ולכן גם אינטראקציית הכבידה חלשה מאוד. הדרך היחידה נויטרינו יכול לקיים אינטראקציה עם חלקיקים אחרים הוא באמצעות אינטראקציות חלשות לטווח קצר.
מאפיין זה בעל אינטראקציה חלשה של נויטרינועם זאת, הופך אותם לבדיקה מעניינת לחקור אובייקטים אסטרופיזיים רחוקים. בעוד שאפילו פוטונים יכולים להסתיר, להתפזר ולהתפזר על ידי האבק, חלקיקי הגז וקרינת הרקע הנמצאים בתווך הבין-כוכבי, נויטרינו יכול לעבור ברובו באין מפריע ולהגיע לגלאים מבוססי כדור הארץ. בהקשר הנוכחי, בהיותו בעל אינטראקציה חלשה, מגזר הניטרינו יכול להיות מועמד בר-קיימא לתרום להפרת ה-CP.
תנודת ניוטרינו והפרת CP
ישנם שלושה סוגים של ניטרינו (𝜈) - 𝜈𝑒, 𝜈𝜇 ו 𝜈𝜏 – אחד המקושר לכל לפטון טעמי אלקטרון (e), מיאון (𝜇) וטאו (𝜏). ניוטרינו מיוצרים ומתגלים כמצבי טעם באמצעות אינטראקציות חלשות בשיתוף עם הלפטון הטעון של הטעם המקביל, בעוד שהם מתפשטים כמצבים בעלי מסות מוגדרות, הנקראים המוני-אייגנסטייטים. כך קרן ניטרינו של טעם מוגדר במקור הופכת לתערובת של כל שלושת הטעמים השונים בנקודת הזיהוי לאחר נסיעה באורך נתיב כלשהו - השיעור של מצבי טעם שונים תלוי בפרמטרים של המערכת. תופעה זו ידועה בשם תנודת ניטרינו, מה שהופך את החלקיקים הזעירים הללו למיוחדים מאוד!
תיאורטית, כל אחד מטעמי הניטרינו יכול לבוא לידי ביטוי כשילוב ליניארי של כל שלושת מצבי המסה ולהיפך, וניתן לתאר את הערבוב על ידי מטריצה יחידה בשם Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) מטריצה (3,4 ,3). מטריצת ערבוב אחידה תלת מימדית זו ניתנת לפרמטריזציה על ידי שלוש זוויות ערבוב ושלבים מורכבים. מבין השלבים המורכבים הללו, תנודת הנייטרינו רגישה לשלב אחד בלבד, בשם 𝛿𝐶𝑃, והוא המקור הייחודי להפרת CP במגזר הלפטון. 𝛿𝐶𝑃 יכול לקחת כל ערך בטווח −180° ו-180°. בעוד 𝛿𝐶𝑃=0,±180° פירושו שניטרינו ואנטי-נייטרינו מתנהגים באופן זהה וה-CP נשמר, 𝛿𝐶𝑃=±90° מציין הפרת CP מקסימלית במגזר הלפטון של המודל הסטנדרטי. כל ערך ביניים מעיד על הפרת CP בדרגות שונות. מכאן מדידה של 𝛿𝐶𝑃 היא אחת המטרות החשובות ביותר של קהילת הפיזיקה של הניטרינו.
מדידת פרמטרי תנודה
ניטרינו נוצרים בשפע במהלך תגובות גרעיניות, כמו אלו בשמש, כוכבים אחרים וסופרנובות. הם גם מיוצרים באטמוספירה של כדור הארץ באמצעות האינטראקציה של הקרניים הקוסמיות עתירות האנרגיה עם גרעיני אטום. כדי לקבל מושג על שטף הנייטרינו, כ-100 טריליון עוברים דרכנו בכל שנייה. אבל אנחנו אפילו לא מבינים זאת מכיוון שהם מקיימים אינטראקציה חלשה מאוד. זה הופך את מדידת תכונות הניטרינו במהלך ניסויי תנודת הניטרינו לעבודה ממש מאתגרת!
כדי למדוד את החלקיקים החמקמקים הללו, גלאי ניטרינו גדולים, בעלי מסה של קילו-טון וניסויים נמשכים מספר שנים כדי להשיג תוצאות מובהקות סטטיסטית. בגלל האינטראקציות החלשות ביניהם, לקח למדענים כ-25 שנים לזהות את הנייטרינו הראשון בניסוי, לאחר שפולי הניח את נוכחותם ב-1932 כדי להסביר את שימור תנופת האנרגיה בהתפרקות בטא גרעינית (מוצג באיור (5)).
מדענים מדדו את כל שלוש זוויות הערבוב עם יותר מ-90% דיוק בביטחון של 99.73% (3𝜎) (6). שתיים מזוויות הערבוב גדולות כדי להסביר את התנודות של ניטרינו שמש ואטמוספרי, הזווית השלישית (ששמה 𝜃13) הוא קטן, הערך המתאים ביותר הוא בערך 8.6°, והוא נמדד בניסוי רק לאחרונה בשנת 2011 על ידי ניסוי הנייטרינו בכור Daya-Bay בסין. במטריצת PMNS, השלב 𝛿𝐶𝑃 מופיע רק בצירוף sin𝜃13𝑒±𝑖𝛿𝐶𝑃, ביצוע מדידה ניסיונית של 𝛿𝐶𝑃 קשה.
הפרמטר שמכמת את כמות הפרת ה-CP הן במגזרי קווארק והן במגזרי ניטרינו נקרא ה- Jarlskog invariant 𝐽𝐶𝑃 (7), שהיא פונקציה של ערבוב זוויות ושלב הפרת CP. עבור מגזר הקווארקים 𝐽𝐶𝑃~ 3 × 10-5 , בעוד למגזר הניטרינו 𝐽𝐶𝑃~0.033 חטא𝛿𝐶𝑃, ולכן יכול להיות עד שלושה סדרי גודל גדולים מ- 𝐽𝐶𝑃 במגזר הקווארקים, בהתאם לערך של 𝛿𝐶𝑃.
תוצאה מ-T2K - רמז לפתרון התעלומה של אסימטריה של חומר אנטי-חומר
בניסוי תנודת הניטרינו ארוכת הבסיס T2K (Tokai-to-Kamioka ביפן), קרני נייטרינו או אנטי-נייטרינו נוצרות במתחם המחקר של Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) ומזוהות בגלאי Water-Cerenkov ב-Super-Kamiokande, לאחר נסיעה של 295 ק"מ דרך כדור הארץ. מאז המאיץ הזה יכול להפיק אלומות של כל 𝜈𝜇 או האנטי-חלקיק שלו 𝜈̅𝜇, והגלאי יכול לזהות 𝜈𝜇,𝜈𝑒 והאנטי-חלקיקים שלהם 𝜈̅𝜇, 𝜈̅𝑒, יש להם תוצאות מארבעה תהליכי תנודה שונים והם יכולים לבצע את הניתוח כדי לקבל גבולות יעילים על פרמטרי התנודה. עם זאת, השלב של הפרת CP 𝛿𝐶𝑃 מופיע רק בתהליך כאשר הנייטרינים משנים טעמים, כלומר בתנודות 𝜈𝜇→𝜈𝑒 ו- 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - כל הבדל בשני התהליכים הללו ירמז על הפרת CP במגזר הלפטון.
בתקשורת שהתפרסמה לאחרונה, שיתוף הפעולה T2K דיווח על גבולות מעניינים לגבי הפרת CP בגזרת הניטרינו, תוך ניתוח הנתונים שנאספו במהלך 2009 ו-2018 (8). תוצאה חדשה זו שללה כ-42% מכל הערכים האפשריים של 𝛿𝐶𝑃. חשוב מכך, המקרה שבו CP נשמר נשלל ב-95% ביטחון, ובמקביל נראה שהפרת CP מקסימלית מועדפת בטבע.
בתחום הפיזיקה עתירת האנרגיה, נדרש ביטחון של 5𝜎 (כלומר 99.999%) כדי לתבוע תגלית חדשה, לכן נדרשים ניסויים מהדור הבא כדי לקבל סטטיסטיקה מספקת ודיוק גבוה יותר לגילוי השלב של הפרת CP. עם זאת, התוצאה האחרונה של T2K היא התפתחות משמעותית לקראת הבנתנו את אסימטריית החומר-אנטי-חומר של עולם דרך הפרת ה-CP במגזר הניטרינו, בפעם הראשונה.
***
הפניות:
1. סחרוב,אנדריי ד., 1991. ''הפרה של אי-סימטריה של CP, אסימטריה C ואסימטריה בריונית של היקום''. הפיזיקה הסובייטית אוספחי, 1991, 34 (5), 392–393. DOI: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. Bari Pasquale Di, 2012. מבוא ללפטוגנזה ותכונות ניטרינו. פיסיקה עכשווית כרך 53, 2012 – גיליון 4 עמודים 315-338. DOI: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. Maki Z., Nakagawa M. and Sakata S., 1962. הערות על המודל המאוחד של חלקיקים יסודיים. התקדמות הפיזיקה התיאורטית, כרך 28, גיליון 5, נובמבר 1962, עמודים 870–880, DOI: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. Pontecorvo B., 1958. תהליכי בטא הפוכים ואי-שימור מטען הלפטון. Journal of Experimental and Theoretical Physics (ברית המועצות) 34, 247-249 (ינואר, 1958). זמין באינטרנט http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. נגיש ב-23 באפריל 2020.
5. Inductiveload, 2007. Beta-minus Decay. [תמונה מקוונת] זמין ב https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. ניגש ב-23 באפריל 2020.
6. Tanabashi M., et al. (קבוצת נתוני חלקיקים), 2018. מסות ניוטרינו, ערבוב ותנודות, פיזי. Rev. D98, 030001 (2018) ועדכון 2019. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. Jarlskog, C., 1986. Jarlskog מגיב. פיזי. הכומר לט. 57, 2875. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. The T2K Collaboration, 2020. אילוץ על השלב המפר סימטריה אנטי-חומר בתנודות נייטרינו. כרך טבע 580, עמודים 339–344(2020). פורסם: 15 באפריל 2020. DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
***
