T2K, a long-baseline न्युट्रीनो oscillation experiment in Japan, has recently reported an observation where they have detected a strong evidence of a difference between fundamental physical properties of न्युट्रीनो 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 बात में ब्रम्हांड over antimatter, and thus our very existence.
RSI बात-antimatter asymmetry of the ब्रम्हांड
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 बात counterparts i.e. particles, except for electric charge and magnetic properties that are reversed. However, the ब्रम्हांड 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 ब्रम्हांड.
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 बात and antimatter are related to each other through CP-symmetry. Hence CP must have been violated in order to generate the observed पदार्थ-एंटीमैटर विषमता, जिसे पहली बार 1967 (1) में सखारोव ने बताया था।
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 ब्रम्हांड. Hence understanding the CP-violation in the lepton-sector is of special interest to the Physicists to understand the existence of the ब्रम्हांड. The CP-violation in the lepton-sector can be used to explain the matter-antimatter asymmetry through a process called leptogenesis (2).
न्यूट्रिनो क्यों महत्वपूर्ण हैं?
न्युट्रीनो शून्य विद्युत आवेश वाले प्रकृति के सबसे छोटे, विशाल कण हैं। विद्युत रूप से तटस्थ होना, न्युट्रीनो विद्युतचुंबकीय अंतःक्रिया नहीं हो सकती है, और उनमें मजबूत अंतःक्रिया भी नहीं होती है। न्यूट्रिनो में 0.1 eV (~ 2 × 10-) के क्रम के छोटे द्रव्यमान होते हैं37किग्रा), इसलिए गुरुत्वाकर्षण संपर्क भी बहुत कमजोर है। एक ही रास्ता न्युट्रीनो यह अन्य कणों के साथ छोटी दूरी की कमजोर अंतःक्रियाओं के माध्यम से अंतःक्रिया कर सकता है।
की यह कमजोर-अंतःक्रियात्मक संपत्ति है न्युट्रीनोहालाँकि, यह उन्हें दूर की खगोलीय वस्तुओं का अध्ययन करने के लिए एक दिलचस्प जांच बनाता है। जबकि फोटॉन भी अंतरतारकीय माध्यम में मौजूद धूल, गैस कणों और पृष्ठभूमि विकिरणों द्वारा अस्पष्ट, प्रसारित और बिखरे हुए हो सकते हैं, न्युट्रीनो अधिकतर बिना किसी बाधा के गुजर सकता है और पृथ्वी-आधारित डिटेक्टरों तक पहुंच सकता है। वर्तमान संदर्भ में, कमजोर-अंतःक्रियात्मक होने के कारण, न्यूट्रिनो-सेक्टर सीपी-उल्लंघन में योगदान देने के लिए एक व्यवहार्य उम्मीदवार हो सकता है।
न्यूट्रिनो दोलन और सीपी-उल्लंघन
न्यूट्रिनो तीन प्रकार के होते हैं (𝜈) -𝑒,μ और𝜏 - प्रत्येक लेप्टान से जुड़ा एक स्वाद इलेक्ट्रॉन (ई), म्यूऑन (𝜇) और ताऊ (𝜏)। न्यूट्रिनो को संबंधित स्वाद के आवेशित लेप्टान के साथ कमजोर अंतःक्रियाओं के माध्यम से स्वाद-ईजेनस्टेट्स के रूप में उत्पादित और पहचाना जाता है, जबकि वे निश्चित द्रव्यमान वाले राज्यों के रूप में प्रचारित होते हैं, जिन्हें मास-ईजेनस्टेट्स कहा जाता है। इस प्रकार स्रोत पर निश्चित स्वाद का एक न्यूट्रिनो बीम कुछ पथ-लंबाई के माध्यम से यात्रा करने के बाद पता लगाने के बिंदु पर सभी तीन अलग-अलग स्वादों का मिश्रण बन जाता है - विभिन्न स्वाद राज्यों का अनुपात सिस्टम के मापदंडों पर निर्भर होता है। इस घटना को न्यूट्रिनो दोलन के रूप में जाना जाता है, जो इन छोटे कणों को बहुत खास बनाता है!
सैद्धांतिक रूप से, प्रत्येक न्यूट्रिनो स्वाद-ईजेनस्टेट्स को तीनों द्रव्यमान-ईजेनस्टेट्स के रैखिक संयोजन के रूप में व्यक्त किया जा सकता है और इसके विपरीत और मिश्रण को पोंटेकोर्वो-माकी-नाकागावा-सकाटा (पीएमएनएस) मैट्रिक्स नामक एकात्मक मैट्रिक्स द्वारा वर्णित किया जा सकता है। , 3,4)। इस 3-आयामी एकात्मक मिश्रण मैट्रिक्स को तीन मिश्रण कोणों और जटिल चरणों द्वारा पैरामीट्रिज किया जा सकता है। इन जटिल चरणों में से, न्यूट्रिनो दोलन केवल एक चरण के प्रति संवेदनशील होता है, जिसका नाम . हैमैं, और यह लेप्टन-सेक्टर में सीपी-उल्लंघन का अनूठा स्रोत है। मैंमैं -180° और 180° के दायरे में कोई भी मान ले सकता है। जबकिमैं=0,±180° का अर्थ है कि न्यूट्रिनो और एंटीन्यूट्रिनो समान व्यवहार करते हैं और CP संरक्षित है,मैं=±90° मानक मॉडल के लेप्टन-सेक्टर में अधिकतम सीपी-उल्लंघन को इंगित करता है। कोई भी मध्यवर्ती मूल्य विभिन्न डिग्री पर सीपी-उल्लंघन का संकेत है। इसलिए . का मापनमैं न्यूट्रिनो भौतिकी समुदाय के सबसे महत्वपूर्ण लक्ष्यों में से एक है।
दोलन मापदंडों का मापन
परमाणु प्रतिक्रियाओं के दौरान न्यूट्रिनो प्रचुर मात्रा में उत्पन्न होते हैं, जैसे सूर्य, अन्य सितारों और सुपरनोवा में। वे परमाणु नाभिक के साथ उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों की बातचीत के माध्यम से पृथ्वी के वायुमंडल में भी उत्पन्न होते हैं। न्यूट्रिनो फ्लक्स का अंदाजा लगाने के लिए, लगभग 100 ट्रिलियन प्रति सेकंड हमारे पास से गुजरते हैं। लेकिन हमें इसका एहसास भी नहीं होता क्योंकि वे बहुत कमजोर बातचीत कर रहे हैं। यह न्यूट्रिनो दोलन प्रयोगों के दौरान न्यूट्रिनो गुणों की माप को वास्तव में चुनौतीपूर्ण काम बनाता है!
इन मायावी कणों को मापने के लिए, न्यूट्रिनो डिटेक्टर बड़े होते हैं, जिनमें किलो-टन द्रव्यमान होता है और सांख्यिकीय रूप से महत्वपूर्ण परिणाम प्राप्त करने के लिए प्रयोगों में कई साल लगते हैं। उनकी कमजोर अंतःक्रियाओं के कारण, वैज्ञानिकों को पहले न्यूट्रिनो का प्रायोगिक रूप से पता लगाने में लगभग 25 साल लग गए, जब पाउली ने 1932 में परमाणु बीटा क्षय में ऊर्जा-गति संरक्षण की व्याख्या करने के लिए अपनी उपस्थिति को पोस्ट किया (चित्र (5) में दिखाया गया है)।
वैज्ञानिकों ने तीनों मिश्रण कोणों को 90% (99.73𝜎) आत्मविश्वास (3) पर 6% से अधिक सटीकता के साथ मापा है। दो मिश्रण कोण सौर और वायुमंडलीय न्यूट्रिनो के दोलनों की व्याख्या करने के लिए बड़े हैं, तीसरा कोण (नाम 𝜃)13) छोटा है, सबसे उपयुक्त मूल्य लगभग 8.6 डिग्री है, और हाल ही में 2011 में चीन में रिएक्टर न्यूट्रिनो प्रयोग दया-बे द्वारा प्रयोगात्मक रूप से मापा गया था। PMNS मैट्रिक्स में, चरणमैं संयोजन sin𝜃 . में ही प्रकट होता है13𝑒±𝑖𝛿मैं, . का प्रायोगिक मापन करनामैं मुश्किल।
क्वार्क और न्यूट्रिनो-क्षेत्रों दोनों में सीपी-उल्लंघन की मात्रा को निर्धारित करने वाले पैरामीटर को जार्ल्सकोग इनवेरिएंट कहा जाता हैमैं (7), जो मिश्रण कोणों और सीपी-उल्लंघन चरण का एक कार्य है। क्वार्क-सेक्टर . के लिएमैं~ 3 × 10-5 , जबकि न्यूट्रिनो-सेक्टर . के लिएमैं~0.033 पाप𝛿मैं, और इस प्रकार 𝐽 . से बड़े परिमाण के तीन क्रम तक हो सकते हैंमैं क्वार्क-सेक्टर में, . के मान पर निर्भर करता हैमैं.
T2K से परिणाम - पदार्थ-एंटीमैटर विषमता के रहस्य को सुलझाने की दिशा में एक संकेत
लॉन्ग-बेसलाइन न्यूट्रिनो ऑसिलेशन प्रयोग T2K (जापान में टोकाई-टू-कमिओका) में, न्यूट्रिनो या एंटीन्यूट्रिनो बीम जापान प्रोटॉन एक्सेलेरेटर रिसर्च कॉम्प्लेक्स (J-PARC) में उत्पन्न होते हैं और सुपर-कामीओकांडे में वाटर-सेरेनकोव डिटेक्टर में पाए जाते हैं। पृथ्वी के माध्यम से 295 किमी की दूरी तय करने के बाद। चूंकि यह त्वरक या तो . के बीम का उत्पादन कर सकता हैμ या इसके एंटीपार्टिकल 𝜈̅𝜇, और डिटेक्टर . का पता लगा सकता हैμ,𝜈𝑒 और उनके एंटीपार्टिकल्स , , उनके पास चार अलग-अलग दोलन प्रक्रियाओं के परिणाम हैं और दोलन मापदंडों पर कुशल सीमा प्राप्त करने के लिए विश्लेषण कर सकते हैं। हालांकि, सीपी-उल्लंघन चरणमैं केवल उस प्रक्रिया में प्रकट होता है जब न्यूट्रीनो स्वाद बदलते हैं यानी दोलनों में 𝜈𝜇→𝜈𝑒 और 𝜈̅𝜇→𝜈̅𝑒 - इन दो प्रक्रियाओं में कोई भी अंतर लेप्टन-सेक्टर में सीपी-उल्लंघन का संकेत देगा।
हाल के एक संचार में, T2K सहयोग ने 2009 और 2018 (8) के दौरान एकत्र किए गए डेटा का विश्लेषण करते हुए, न्यूट्रिनो क्षेत्र में CP-उल्लंघन पर दिलचस्प सीमा की सूचना दी है। इस नए परिणाम ने . के सभी संभावित मूल्यों के लगभग 42% को खारिज कर दियामैं. इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि जब सीपी संरक्षित किया जाता है तो मामले को 95% विश्वास पर खारिज कर दिया गया है, और साथ ही प्रकृति में अधिकतम सीपी-उल्लंघन को प्राथमिकता दी जाती है।
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 ब्रम्हांड through the CP-violation in the neutrino-sector, for the first time.
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सन्दर्भ:
1. सखारोव, आंद्रेई डी।, 1991। '' सीपी इनवेरिएंस का उल्लंघन, सी विषमता, और ब्रह्मांड की बेरियन विषमता ''। सोवियत भौतिकी उसपेखी, 1991, 34 (5), 392-393। डीओआई: https://doi.org/10.1070/PU1991v034n05ABEH002497
2. बारी Pasquale Di, 2012. लेप्टोजेनेसिस और न्यूट्रिनो गुणों का परिचय। समकालीन भौतिकी खंड 53, 2012 - अंक 4 पृष्ठ 315-338। डीओआई: https://doi.org/10.1080/00107514.2012.701096
3. माकी जेड, नाकागावा एम. और सकाटा एस, 1962। प्राथमिक कणों के एकीकृत मॉडल पर टिप्पणी। सैद्धांतिक भौतिकी की प्रगति, खंड 28, अंक 5, नवंबर 1962, पृष्ठ 870-880, डीओआई: https://doi.org/10.1143/PTP.28.870
4. पोंटेकोर्वो बी।, 1958। उलटा बीटा प्रक्रियाएं और लेप्टन चार्ज का गैर-संरक्षण। प्रायोगिक और सैद्धांतिक भौतिकी जर्नल (यूएसएसआर) 34, 247-249 (जनवरी, 1958)। ऑनलाइन मौजूद है http://www.jetp.ac.ru/cgi-bin/dn/e_007_01_0172.pdf. 23 अप्रैल 2020 को एक्सेस किया गया।
5. आगमनात्मक भार, 2007. बीटा-माइनस क्षय। [छवि ऑनलाइन] पर उपलब्ध है https://en.wikipedia.org/wiki/File:Beta-minus_Decay.svg. 23 अप्रैल 2020 को एक्सेस किया गया।
6. तनबाशी एम।, एट अल। (कण डेटा समूह), 2018. न्यूट्रिनो द्रव्यमान, मिश्रण, और दोलन, भौतिक। Rev. D98, 030001 (2018) और 2019 अपडेट। डीओआई: https://doi.org/10.1103/PhysRevD.98.030001
7. जार्ल्सकोग, सी।, 1986। जार्ल्सकोग प्रतिक्रिया करता है। भौतिक. रेव लेट। 57, 2875. डीओआई: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.57.2875
8. टी2के सहयोग, 2020। न्यूट्रिनो दोलनों में पदार्थ-एंटीमैटर समरूपता-उल्लंघन चरण पर बाधा। नेचर वॉल्यूम 580, पेज339–344 (2020)। प्रकाशित: 15 अप्रैल 2020। डीओआई: https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0
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