Onlarca yıldır bilim insanları nötrinoların (genellikle “” olarak adlandırıldığını) biliyorlardı.hayalet parçacıkları” neredeyse kütlesiz, neredeyse tespit edilemeyen doğaları nedeniyle kolay bir açıklamaya meydan okuyor.
Trilyonlarcası her saniye vücudunuzdan iz bırakmadan akıyor. Madde orada değilmiş gibi geçip gidiyorlar. Uçuş sırasında nadiren etkileşime girerler ve gizemli bir şekilde kimliklerini değiştirirler.
Şimdi, dünyanın en gelişmiş nötrino deneylerinden ikisi arasındaki benzeri görülmemiş işbirliği sayesinde araştırmacılar büyük bir adım attı. Artık fiziğin en büyük sorularından birini yanıtlamaya daha yakınlar: maddenin neden var olduğu.
Yayınlanan bir çalışmada DoğaJaponya’daki T2K deneyi ve Amerika Birleşik Devletleri’ndeki NOvA deneyi, geniş veri kümelerini ilk kez birleştirerek ekiplerin “ortak nötrino salınım analizi” adını verdiği şeyi üretti.
Bulguları, nötrinoların seyahat ederken nasıl dönüştüğüne dair şimdiye kadarki en kesin görünümü sunuyor. Bu sonuçlar, yakalanması zor parçacıkların doğanın temel simetrilerinden birini ihlal edebileceğini ve bunun da evrenimizi tanımlayan madde ve antimadde arasındaki dengesizliği potansiyel olarak açıklayabileceğini ima ediyor.
Araştırmacılar, “Üç aromalı karıştırma modelinde ters sıralamanın doğru olduğu varsayılırsa, sonuçlarımız lepton sektöründe CP simetri ihlaline dair kanıt sağlayacaktır” diye yazıyor.
Bu ifade, öncelikle fizikçiler tarafından anlaşılan yoğun, teknik bir dil gibi görünebilir. Özünde, yük parite simetrisinin kısaltması olan CP simetrisi temel bir prensiptir: Eğer her parçacık kendi antiparçacığı ile değiştirilse ve bir aynaya yansısa evren aynı görünmeli ve aynı şekilde davranmalıdır.
Fizikçiler CP simetrisinin mutlak olmadığını zaten biliyor; kırıldığı daha önce de görülmüştü. 1960’larda okuyan araştırmacılar Kaon adı verilen atom altı parçacıkların bozunması, doğadaki dolaylı CP ihlalinin ilk işaretlerini keşfetti; bu bulgu daha sonra Nobel Ödülü’nü kazandı.
O zamandan beri benzer asimetriler var gözlemlendi B mezonlarının davranışı, radyoaktif bozunmayı yöneten zayıf nükleer kuvvetin bazen maddeye ve antimaddeye farklı davrandığını doğruluyor.
Bu nadir ihlaller, parçacık fiziğinin Standart Modelinde yer almaktadır, ancak ürettikleri miktar, Evrenimizin neden maddenin hakimiyetinde olduğunu açıklamak için çok küçüktür. Bu yüzden bilim adamları başvurdu nötrinolarbulmacanın eksik parçasını tutup tutamayacaklarını görmek için bilinen en ele geçirilmesi zor parçacıklar.
Hayalet parçacıklar arasında bu kuralın ihlali, erken Evrenin neden kendisini saf enerjiye yok etmediğini açıklamaya yardımcı olabilir. Bu olmasaydı, bugün yalnızca radyasyon kalırdı.
Nötrinolar üç “tat” halinde gelir: elektron, müon ve tau. Hareket ettikçe bu tatlar arasında geçiş yapabilir veya salınabilirler. Bu, orijinal Standart Modelin izin vermediği bir kütleye sahip olmaları gerektiğini kanıtlıyor.
Bu keşif, ilk onaylandı 1990’ların sonlarında parçacık fiziğinde devrim yarattı. Ancak bunların nasıl olduğunu henüz tam olarak bilmiyoruz. hayalet parçacıkları küçücük kütleleri mi var, yoksa maddeye ve antimaddeye farklı mı davranıyorlar?
Yeni analiz, uzun süredir devam eden iki uluslararası projenin sonuçlarını birleştiriyor. Her ikisi de, bu tatların nasıl değiştiğini izlemek için yüzlerce kilometrelik Dünya boyunca yüksek yoğunluklu nötrino ışınlarını ateşleyerek yıllarını harcadı.
Japonya’nın T2K deneyi, nötrinoları Tokai’deki J-PARC hızlandırıcısından 183 mil (295 km) uzaktaki ünlü Süper-Kamiokande dedektörüne gönderiyor. ABD’de NOvA deneyi de benzer bir şey yapıyor; Chicago yakınlarındaki Fermilab’dan 503 mil (810 km) uzaktaki kuzey Minnesota’daki devasa bir dedektöre ışın gönderiyor.
Her deneyin kendine has güçlü yanları vardır. NOvA’nın yüksek enerjili ışını, hangi nötrino tipinin daha ağır olduğunu belirleyen kütle sıralamasına karşı daha keskin bir hassasiyet sağlıyor. T2K’nin tasarımı, CP’yi ihlal eden etkilerin daha hassas şekilde algılanmasını sağlar.
İki iş birliği, veri kümelerini ve analitik araçlarını (daha önce hiç denenmemiş bir şey) birleştirerek, bireysel bulgularını uzun süredir sınırlayan istatistiksel belirsizlikleri azalttı.
Yeni analiz, bilim adamlarının hayalet parçacıkların garip şekil değiştirme davranışlarını her zamankinden daha büyük bir hassasiyetle ölçmesine olanak sağladı. Özellikle üç nötrino türü arasındaki kütle farkını daralttı. Bu küçük ama önemli ayrıntı, seyahat ederken nasıl salındıklarını veya kimlik değiştirdiklerini tanımlamaya yardımcı olur. Ekibin sonuçları, bu kütle farkının şimdiye kadar elde edilen en doğru ölçümünü temsil ediyor.
Daha da ilgi çekici olanı, fizikçilerin delta CP evresi adını verdiği aşamayı içeren sonuçlardı. Bu özellik, nötrinoların ve onların antimadde ikizlerinin farklı davranıp davranmadığını ortaya çıkarabilir. Basit bir ifadeyle bu, doğanın hem madde hem de antimadde için aynı kurallara göre hareket edip etmediğinin bir testidir.
Araştırmacılar, birçok senaryoda nötrinoların mükemmel simetri sergilemediğini buldu. Yani bunlar hayalet parçacıkları gerçekten de ayna görüntüsündeki benzerlerinden farklı davranabilirler.
Fizikçiler için bu, en derin kozmik gizemlerden birine dair potansiyel bir ipucudur. Nötrinolar CP simetrisini ihlal ediyorsa, terazinin maddeye doğru eğilmesine yardımcı olarak ve galaksilerin, yıldızların, gezegenlerin ve nihayetinde yaşamın var olmasına izin vererek erken Evrenin dengesizliğinde belirleyici bir rol oynamış olabilirler.
Bu deneyler, her biri yüzlerce bilim insanı tarafından tamamen farklı dedektörler, ışınlar ve yazılımlar kullanılarak gerçekleştirilen, ham istatistiksel çerçevelerini tek bir birleşik Bayes analizinde birleştiren iki uzun temel hızlandırıcı deneyini ilk kez temsil ediyor.
Ekipler, dedektör yanıt modellerinin tamamını ve belirsizlik hesaplamalarını bile paylaştı. Hepsi birlikte çalışabilen yazılım ortamlarında muhafaza edildi, böylece her iki taraf da birbirinin sonuçlarını çapraz kontrol edebildi.
NOvA işbirlikçisi Dr. Liudmila Kolupaeva, “Ortak bir analiz yaparak, her deneyin tek başına üretebileceğinden daha hassas bir ölçüm elde edebilirsiniz” dedi. basın bülteni. “Kural olarak yüksek enerji fiziğindeki deneyler, aynı bilimsel hedefe sahip olsalar bile farklı tasarımlara sahiptir. Ortak analizler, bu tasarımların tamamlayıcı özelliklerini kullanmamıza olanak tanır.”
Araştırmacılar, “Bu seviyedeki entegrasyon, bildiğimiz kadarıyla hızlandırıcı nötrino deneyleri için ilk seviyedir” dedi.
Ancak yine de bu düzeyde büyük ölçekli uluslararası işbirliği kolay değil. Her deneyde nasıl farklı modelleme araçları kullanıldı? hayalet parçacıkları atom çekirdeği ile etkileşime girer. Her iki ekibin de ışın akışı ve dedektör kalibrasyonu gibi sistematik belirsizlikleri nasıl ele aldıklarına ilişkin ince farklılıkları uzlaştırması gerekiyordu.
Kapsamlı testlerin ardından araştırmacılar, bu sistematik etkilerin sonuçları saptırmayacak kadar küçük olduğunu buldular. Bu, gelecekteki ortak analizler için cesaret verici bir işaret sunuyor.
Umut verici sonuçlara rağmen araştırmacılar, verilerin toplu sıralama (normal veya tersine çevrilmiş) açısından istatistiksel olarak anlamlı bir tercih göstermediğini vurgulamaya dikkat ediyor.
Araştırmacılar tüm verileri birleştirdiğinde, sonuçlar olası bir kütle düzenlemesinin diğerine göre güçlü bir şekilde işaret etmediğini gösterdi. İstatistiksel olarak, ters sıralamaya (en hafif ve en ağır nötrinoların yer değiştirdiği yer) ilişkin kanıtlar çok zayıftı. Sonuç, bir keşif iddiasında bulunmak için yeterli olmaktan çok uzak.
Ancak bu tersine dönen senaryo doğru çıkarsa sonuçları olağanüstü olacaktır. Analiz şunu gösteriyor: Bu durumda, nötrinolar CP simetrisi olarak bilinen temel fizik kuralını yüzde 99,7’den fazla güvenle ihlal eder.
Basit bir ifadeyle bu, nötrinoların ve onların antimadde muadillerinin aynı şekilde davranmayacağı anlamına gelir. Kanıtlanırsa bu, leptonlar (elektronlar, müonlar, taus ve tausları içeren parçacık ailesi) arasındaki simetriyi bozan davranışın ilk kanıtı olacak. nötrinolar—ve evrenin erken dönemlerinde maddenin antimadde üzerindeki yaygınlığını açıklamaya yardımcı olabilir.
Bu sonuç, bu tür olaylara ilişkin bilgimizi derinleştirirken aynı zamanda altta yatan bilimsel gizemi de karmaşıklaştırıyor.
Araştırmacılar, “İki deney ayrı ayrı normal sıralamayı tercih etse de, diğer salınım parametrelerinin değerleri ters sıralamada daha tutarlıdır, bu da eklem uyumunda farklı bir sıralama tercihine yol açar, ancak yine de istatistiksel olarak anlamlı değildir” diye yazıyor araştırmacılar. “Şu anda her iki toplu sipariş için de önemli bir tercih görmüyoruz.”
Fizikçiler şimdi aşağıdaki gibi yaklaşan deneylere bakıyorlar: DUNE (Derin Yeraltı Nötrino Deneyi) Amerika Birleşik Devletleri’ndeki ve Japonya’daki Hyper-Kamiokande, nötrino ölçümlerini daha da yüksek hassasiyete taşımak için tasarlandı.
Bu yeni nesil gözlemevleri nihayet kütle düzenini belirleyebildi ve nötrinoların gerçekten CP simetrisini ihlal edip etmediğini doğrulayarak kozmik evrim hikayesinde kilit oyuncular olarak rollerini pekiştirebildi.
Şimdilik, T2K ve NOvA işbirliği, nötrino davranışının ilk gerçek anlamda küresel, ortak ölçümü olarak tarihi bir dönüm noktasına işaret ediyor. Bilim insanları perspektifleri birleştirerek bu küçük hayalet parçacıkların varoluşa dair en derin ipuçlarını taşıyabileceğini gösterdi.
T2K’nin eş sözcüsü ve Michigan Devlet Üniversitesi fizik ve astronomi profesörü Dr. Kendall Mahn, “Bu, alanımız için büyük bir zaferdi” dedi. “Bu, bu testleri yapabileceğimizi, nötrinoları daha detaylı inceleyebileceğimizi ve birlikte çalışmayı başarabileceğimizi gösteriyor.”
Tim McMillan emekli bir kolluk kuvveti yöneticisi, araştırmacı muhabir ve The Debrief’in kurucu ortağıdır. Yazıları genellikle savunma, ulusal güvenlik, İstihbarat Topluluğu ve psikoloji ile ilgili konulara odaklanmaktadır. Tim’i Twitter’da takip edebilirsiniz: @LtTimMcMillan. Tim’e e-posta yoluyla ulaşılabilir: [email protected] veya şifreli e-posta yoluyla: [email protected]
