Evrenin malzemesinin kökeninin kanıtı bulundu! 12 ulustan oluşan ekibin nötrino asimetrisini ortaya çıkarması on yıl sürdü
Aufei Tapınağı'ndan Yuyang Xiaocha Qubit Raporu | Genel Hesap QbitAI
Hepimizin bildiği gibi, evren büyük bir patlamayla doğdu.
Ancak Büyük Patlama'dan sonra olanlar insanlar tarafından tam olarak anlaşılamamıştır.
Örneğin, keşfettiğimiz fizik yasaları simetrik ise, simetri yasaları Büyük Patlama'nın antimadde kadar pozitif madde üretmesini sağlayacaktır.
Ancak pozitif madde ve anti-madde bir araya geldiklerinde yok olacaklar, bu yüzden eğer bu kadar çok pozitif ve anti-madde varsa, atomları bırakın, evrende protonlar ve elektronlar olmayacak ve hayat doğmayacaktır.
Evrenin simetrisini tam olarak ne bozdu?
Bu önemli gizemi çözme yolunda, bugün insanlık önemli bir adım daha atmıştır:
İnsanlar, pozitif maddenin antimaddeyi nihayetinde nasıl yenilgiye uğrattığının nedenlerinden birini buldular.
Japonya, Amerika Birleşik Devletleri ve Rusya dahil 12 ülkeden T2K ekibi ,sonra On yıl Kümülatif gözlemler şunu buldu: Nötrino Bu simetri bozulmuştur ve evrenin nihai asimetrisi nötrinoların asimetrisinde gizlenmiş olabilir.
Bu patlayıcı son araştırma, Nature'ın son sayısının kapağında yer aldı.
Nötrino nedir
Bu soruyu netleştirmek için önce nötrinonun ne olduğunu anlayalım.
Herhangi bir fiziksel fenomen tarafından karşılanması gereken enerjinin, momentumun ve açısal momentumun korunumu yasaları, nükleer reaksiyonlar istisna değildir, ancak bilim adamları, atom çekirdeğinin beta bozunumunun (bir elektronun salınması) tatmin edici görünmediğini bulmuşlardır.
Kabarcık odasında gözlemlenen nötrinolar
Fizikçi Pauli, bu fenomeni açıklamak için atom çekirdeğinin fisyon sırasında tespit edilmesi zor olan yüksüz bir parçacık yayacağını öne sürdü.
Çünkü insanlar, nötron adı verilen, yüklü olmayan bir tür nötr parçacık keşfettiler. Bu tür yüksüz ve daha hafif parçacıklara yalnızca "küçük nötronlar" denilebilir, yani Nötrino .
Çinli fizikçilerin Wang Ganchang 1941'de nötrinoları tespit etmek için bir yöntem önerildi, ancak o zamanlar Çin hala Direniş Savaşı'ndaydı ve deneysel koşulları yoktu. Diğer iki Amerikalı fizikçi tarafından keşfedildi ve Nobel Ödülü'nü kazandı.
Hayatımızda nötrinoların her yerde olduğu söylenebilir ve bunlara daha çok güneş ışığı eşlik eder.
Nötrinoların en büyük kaynağı büyük bir nükleer reaktör olan güneş olduğundan, nükleer füzyon çok sayıda nötrino üretecektir.
Ve her saniye vücudumuzdan geçiyoruz Trilyonlar Bir. Ancak radyasyon konusunda endişelenmeyin çünkü nötrinolar ve madde arasındaki etkileşim son derece zayıftır. Bin dünyayı kolayca geçebilir Yani vücudunuz üzerinde neredeyse hiç etkisi olmayacak.
Başlangıçta bilim adamları, Dünya'da tespit edilen sayıdan çok farklı olan güneş modeline göre nötrino sayısını hesapladılar. Fark ne? İkincisi, öncekinin yalnızca 1 / 3'ü, kalan 2 / 3'ü nereye gitti?
Dünya ile güneş arasında neredeyse boş bir boşluk olduğu düşünüldüğünde, nötrinoların bir şey tarafından engellenmemesi gerektiği ve nötrinoların nüfuz etme gücünün hala çok güçlü olduğu açıktır.
Daha sonra bilim adamları nötrinoların aslında Üç "tat" : Elektron nötrinosu, müon nötrinosu, tau nötrinosu. Elektronlar, müonlar ve tau içeren nükleer reaksiyonlarda üretilirler ve yalnızca karşılık gelen parçacıklarla reaksiyona girebilirler.
Bu üç tür nötrino, ışık hızına yakın uçarken birbirine dönüştürülebilir.Fizikçiler bu fenomeni Nötrino salınımı .
Güneşteki nükleer reaksiyon yalnızca elektron nötrinoları üretebilir, dünyaya uçma sürecinde 2/3 müon nötrinoları ve tau nötrinoları olur.
Önceki deneysel yöntemlerimiz yalnızca elektron nötrinolarını tespit edebiliyordu, bu yüzden diğer 2 / 3'ünü kaçırdık.
Nötrinoları bulmak için "çukurlar kazın ve su doldurun"
Nötrinolar ve madde arasındaki etkileşim çok zayıf olduğuna göre, onu nasıl buluruz?
Bilim adamlarının verdiği yöntem, "dozu artırmak" tır.
Nötrinolar ve madde atomları arasındaki etkileşim küçük bir olasılık olayıdır Nötrinoları "yakalamak" için yeterince atom kullanırsak, her zaman birkaç keşfedilmiş olacaktır.
T2K deneyinde kullanılan dedektör, Japonya Süper Kamioka Probu (Süper-K).
Süper Kamioka dedektörü bulunur 1000 metre derinliğinde Yeraltı terk edilmiş bir arsenik madeninden dönüştürülür.
Super Kamioka, 41.4 metre yüksekliğinde ve 39.3 metre çapında paslanmaz çelik silindir "dev su deposu" dür. 50.000 ton ultra saf su .
Süper Kamioka Dedektörünün İçi
Böylesine derin bir derinliği seçmenin nedeni, yeryüzündeki kaya oluşumlarının diğer ışın parçacıklarını korumasına izin vermektir ve nötrinolar en güçlü nüfuz gücüne sahiptir ve sonunda dedektöre neredeyse sadece o ulaşacaktır.
Kısacası, Süper Tanrı Çetesi "çukur kazıyor" ve "su suluyor".
Yakalanan az sayıdaki nötrinoları keşfetmek için Super Kamioka'nın içinde 11146 var. Foto-çoğaltıcı tüp .
Super Kamioka'da fotoçoğaltıcı tüp
Sudaki nötrinolar ve atom çekirdeği elektronlarla reaksiyona girdikten sonra, yüksek enerjili elektronlar veya pozitronlar üretilebilir ve hız, sudaki ışık hızını bile aşar.
Elektronlar veya pozitronlar suda bu kadar yüksek hızda hareket ettiklerinde, parçacığın arkasındaki kuyrukta üretilecekler. Çerenkov radyasyonu . Suya batırılmış bir nükleer reaktörün yaydığı soluk mavi ışık bu tür bir radyasyondur.
Nükleer reaktörlerden çerenkov radyasyonu
Radyasyondaki fotonlar, fotomultiplikatör tüpüne enjekte edilir ve elektronlar üretilir, elektronlar elektrik alanında hızlandırılır, böylelikle çığ gibi daha fazla elektron üretir ve sonunda tespit edilebilen bir akım üretir.
Bilim adamları, farklı konumlardaki fotoçoğaltıcı tüpün elektriksel sinyal verileri aracılığıyla, nötrinoların olay yönünü ve "tadını" belirleyebilirler.
Bu Nature'ın kapak makalesinden önce, Super Kamioka fizik tarihinde iyi biliniyordu ve iki Nobel Ödülü araştırma sonucu çıkardı.
Japon fizikçi Xiao Chai Changjun Süper Kamioka ile evrendeki nötrinoların tespitine yaptığı katkılardan dolayı 2002'de Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Xiaochai Changjun
Başka bir Japon fizikçi Kaida Takaaki Süper Kamioka "nötrino salınımlarını keşfettiği ve nötrinoların kütlesi olduğunu kanıtladığı" için 2015 Nobel Fizik Ödülü'nü kazandı.
Orijinal nötrino asimetrik
Bunu söyledikten sonra, nötrinolar ile evrenin kökeni arasındaki ilişki nedir?
Eski Sovyetler Birliği atom fizikçisi Andrei Sakharov (Andrei Sakharov) bir keresinde kozmik maddenin kökeni için bir mekanizma önerdi.
Tahmin etmesinin nedenlerinden biri, madde ve antimadde simetrisinin mükemmel olmaması ve moleküllerin özelliklerinin biraz farklı olmasıdır. Bu fark, Büyük Patlama sonrası soğutma sürecinde fazla maddeye neden olabilir.
Evrende aynı miktarda pozitif ve negatif madde yoksa, "Sakharov durumu" nun karşılanması gerekir ve önemli olanlardan biri CP simetrisinin yok edilmesidir.
CP simetrisi, bir parçacığın yükünün zıt yük ile değiştirildiği ve parçacığın Çevirmek (Dönme yönü) ters çevrildiğinde, fizik yasaları değişmeden kalmalıdır.
Pozitif ve negatif madde aynı değilse, CP simetrisi evrenin erken evresinde yok edilmelidir.
Aslında, 1960'lardan beri fizikçiler CP simetri yıkımını keşfettiler, ancak çoğu diğer nadir parçacıklardır.
Bilim adamları, en son nötrino deney sonuçları yayınlanana kadar daha büyük CP asimetrisinin keşfedilmesini bekliyorlar.
T2K kooperatif organizasyonunun bu son araştırma sonucu, bu varsayımı büyük ölçüde karşılamaktadır.
T2K, bu parçacıkların ve antiparçacıkların sırasıyla elektron nötrinolarına ve elektron antinötrinolarına nasıl dönüştüğünü incelemek için Japonya Proton Hızlandırma Araştırma Merkezi (J-PARC) hızlandırıcısı tarafından üretilen müon nötrino ve müon antinötrino ışınlarını kullanır.
Deneyde, araştırmacılar, uzun temel nötrino ve antinötrino salınım ölçümlerinin, nötrinoların antinötrinolardan daha yüksek bir salınım olasılığına sahip olduğunu gösterdiğini gözlemlediler.
Bu farkın nedeni CP başarısızlık açısı Dedim. Faz açısı 0 ise ve nötrinolar ve antinötrinolar aynı şekilde davranırsa, deney yaklaşık 68 elektron nötrino ve 20 elektron antinötrino tespit edecektir.
Durum bu değil. Sonunda, T2K 90 elektron nötrino ve 15 elektron antinötrino tespit etti.
Başka bir deyişle, 300 kilometrelik bir yolculukta nötrinoların "tadı" değiştirme olasılığı daha yüksekken, antinötrinoların olasılığı da beklenenden daha düşüktür. Nötrino ve antiparçacığı farklı salınım olasılığına sahiptir.
Bu, insanlar nötrinolarda CP yıkımını ilk kez yakaladı.
Nötrinolarda CP simetri bozulmasının keşfi, erken evrende daha büyük asimetrinin iş başında olduğunu gösteriyor. Ancak nötrinonun kendisi bu işi tamamlamak için hala çok küçük.
Ancak üç tür "aromalı" nötrinoların tümü "hareketsiz nötrinolar" adı verilen karanlık bir maddeyle ilişkilendirilebilir ve bunların etkileşimleri evrenin dengesini bozacaktır.
Cenevre Üniversitesi'nde fizikçi ve T2K ortaklığı sözcüsü Federico Sánchez, şunları söyledi:
Nötrinolarda CP yıkımı fenomenini ilk kez yakaladık. Bu gerçek bir kilometre taşıdır.
Aynı zamanda, nötrinoların ve antinötrinoların davranışlarının farklı olduğu oldukça kanıtlanmıştır.
Bu nokta aynı zamanda büyük bir atılımdır - insanlar diğer parçacıklarda madde-antimadde farklılıkları olduğunu keşfetmiş olsalar da, bu farklılıklar evrenin gerçekliğini açıklamak için çok küçüktür.
Bir sonraki deneyde, bu yeni keşfi doğrulamak için yeterli verinin toplanması gerekiyor.
Mevcut T2K sonuçları istatistiksel olarak önemli 3 seviyesinde olduğundan, madde-antimadde simetrisi tamamen hariç tutulursa, güven seviyesi 2'ya düşecektir. Parçacık fiziği araştırmalarında, genellikle 5 güvenlik seviyesi gereklidir.
Almanya'daki Max Planck Nükleer Fizik Enstitüsü'nde bir nötrino fizikçisi olan Werner Rodejohann iyimser, çünkü doğada nötrinolar ve antinötrinolar çok farklıdır, bu, kanıtların beklenenden daha hızlı birikmesini sağlar. Neredeyse birkaç yıl oldu.
Sanchez ayrıca, mevcut keşfin maddenin kökeni sorununu çözmek için gerekli tüm koşulları henüz karşılamadığını, "açıkça doğru yönde ilerlediğini" söyledi.
Mevcut sonuçlar, bir sonraki araştırma için hayati öneme sahiptir.
Bununla birlikte, 5 seviyesine ulaşmak için, yalnızca T2K deneyine güvenmek imkansızdır.
Neyse ki, fizikçiler cevabı gelecek nesil nötrino dedektörlerinde bulabilirler. Kullanıma sunulacak bu tür dedektörler şunları içerir:
- Çin'in JUNO'sunun 2022'de devreye alınması planlanıyor;
- Amerika Birleşik Devletleri'ndeki DUNE'nin 2025'te kullanılması planlanıyor;
- Super Kamiokande'nin yakınında bulunan Hyper-Kamiokande'nin 2027'de kullanılması bekleniyor.
İşte T2K işbirliği projelerine kısa bir giriş.
T2K, Tokai için Kamioka anlamına gelir. Japonya'da uluslararası bir parçacık fiziği deneyidir. Katılımcı ülkeler arasında Japonya, Kanada, Fransa, Almanya, İtalya, Güney Kore, Polonya, Rusya, İspanya, İsviçre, Amerika Birleşik Devletleri ve Birleşik Krallık.
T2K deneyi, nötrinoların yayılma sürecinde bir çeşniden diğerine nasıl değiştiğini incelemeyi amaçlamaktadır. Nötrino ışını, Japonya'nın doğu kıyısındaki J-PARC hızlandırıcısından üretildi ve Japonya'nın batı dağlık bölgesindeki Süper Kamioka Nötrino Detektörüne yönlendirildi. Nötrino ışınının yoğunluğu ve bileşimindeki değişiklikler nötrinoların doğası hakkında bilgi sağlayabilir. bilgi.
Nötrinolarla ilgili diğer ilginç gerçekler
Son olarak, paylaşmaya değer bir şey daha var.
Nötrinolar, parçacık fiziğinde her zaman bir araştırma noktası olmuştur.
Nötrino çalışmalarıyla ilgili birçok ilginç hikaye de var.
Örneğin, geçen yıl Kasım ayında, dahi matematikçi Tao Zhexuan ve üç cahil fizikçi birlikte yayınladılar. Özvektörü çözmek için basit bir denklem Matematik makalesinde, maddenin nedeni nötrino salınımının incelenmesidir.
Nötrino salınım olasılığını hesaplarken, üç fizikçi özvektörlerin ve öz değerlerin geometrik doğasının aslında uzay vektörlerinin dönüşü ve ölçeklenmesi olduğunu keşfetti. Ve nötrinoların üç çeşidi (elektron, müon ve tau) uzaydaki üç vektör arasındaki dönüşüme eşdeğer değil mi?
Ayrıca "Nötrino Işık Hızı" Oolong da vardır.
Eylül 2011'de, İtalyan OPERA araştırma grubu Avrupa Nükleer Merkezi'nde duyurdu: Deneyde nötrinoların hızının ışık hızından daha hızlı "çalıştığını" buldular. Bu keşif, Einstein'ın özel görelilik teorisindeki "ışık hızı aşılamaz" teorisinin teorik temeline meydan okuyor ve büyük ilgi gördü.
Bununla birlikte, 2012'nin başında araştırmacılar, "süper ışık hızı" sonucuna neden olan ve büyük bir karışıklığa neden olan bir cihaz donanımı sorunu olduğunu keşfettiler.
Daha sonra, daha doğru sonuçlar için, dünyanın her yerinden bilim adamları daha büyük çukurlar kazmaya ve daha fazla su doldurmaya devam edecek.
Nötrinolar ve süper Kamioka bir sonraki Nobel Ödülü'nü alacak mı?
Portal:
Kağıt adresi: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0
Doğa raporları: https://www.nature.com/articles/d41586-020-01022-3#ref-CR3
Referans bağlantısı
https://www.quantamagazine.org/neutrino-evidence-could-explain-matter-antimatter-asymmetry-20200415/ https://www.imperial.ac.uk/news/196895/strongest-evidence-that-neutrinos-explain-universe/ https://phys.org/news/2020-04-matter-antimatter-asymmetry-t2k-results-restrict.html
- Bitiş -
Qubit QbitAI · Toutiao İmzalı
Bize dikkat edin ve en son teknolojideki en son gelişmeleri alın
