NOvA-eksperimentet ser stærke beviser for antineutrino-oscillation

I mere end tre år, forskere på NOvA-samarbejdet har observeret partikler kaldet neutrinoer, mens de svinger fra en type til en anden over en afstand på 500 miles. Nu, i et nyt resultat afsløret i dag på Neutrino 2018-konferencen i Heidelberg, Tyskland, samarbejdet har annonceret sine første resultater ved hjælp af antineutrinoer, og har set stærke tegn på myon-antineutrinoer, der oscillerer til elektron-antineutrinoer over lange afstande, et fænomen, der aldrig entydigt er blevet observeret.

NOvA, baseret på det amerikanske energiministeriums Fermi National Accelerator Laboratory, er verdens længste baseline-neutrinoeksperiment. Dens formål er at opdage mere om neutrinoer, spøgelsesagtige, men rigelige partikler, der for det meste rejser gennem stof uden at efterlade spor. Eksperimentets langsigtede mål er at lede efter ligheder og forskelle i, hvordan neutrinoer og antineutrinoer ændrer sig fra én type – i dette tilfælde, muon - i en af ​​de to andre typer, elektron eller tau. Præcis måling af denne ændring i både neutrinoer og antineutrinoer, og derefter sammenligne dem, vil hjælpe videnskabsmænd med at låse op for de hemmeligheder, som disse partikler rummer om, hvordan universet fungerer.

NOvA bruger to store partikeldetektorer - en mindre ved Fermilab i Illinois og en meget større 500 miles væk i det nordlige Minnesota - til at studere en stråle af partikler genereret af Fermilabs acceleratorkompleks og sendt gennem Jorden, uden behov for tunnel.

Det nye resultat er hentet fra NOvA's første kørsel med antineutrinoer, antistof-modstykket til neutrinoer. NOvA begyndte at studere antineutrinoer i februar 2017. Fermilabs acceleratorer skaber en stråle af myonneutrinoer (eller myonantineutrinoer), og NOvA's fjerndetektor er specielt designet til at se de partikler, der ændrer sig til elektronneutrinoer (eller elektron-antineutrinoer) på deres rejse.

Hvis antineutrinoer ikke svingede fra myontype til elektrontype, videnskabsmænd ville have forventet at optage kun fem elektron-antineutrino-kandidater i NOvA far-detektoren under denne første kørsel. Men da de analyserede dataene, de fandt 18, giver stærke beviser for, at antineutrinoer gennemgår denne oscillation.

"Antineutrinoer er sværere at lave end neutrinoer, og de er mindre tilbøjelige til at interagere i vores detektor, " sagde Fermilabs Peter Shanahan, medordfører for NOvA-samarbejdet. "Dette første datasæt er en brøkdel af vores mål, men antallet af oscillationshændelser, vi ser, er langt større, end vi ville forvente, hvis antineutrinoer ikke svingede fra myontype til elektron. Det demonstrerer den indvirkning, som Fermilabs højeffekt partikelstråle har på vores evne til at studere neutrinoer og antineutrinoer."

Selvom antineutrinoer er kendt for at oscillere, ændringen til elektron-antineutrinoer over lange afstande er endnu ikke endeligt observeret. T2K-eksperimentet, beliggende i Japan, meddelt, at de havde observeret antydninger af dette fænomen i 2017. NOvA- og T2K-samarbejdet arbejder på en kombineret analyse af deres data i de kommende år.

"Med dette første resultat ved hjælp af antineutrinoer, NOvA er gået ind i næste fase af sit videnskabelige program, " sagde Associate Director for High Energy Physics ved Department of Energy Office of Science Jim Siegrist. "Jeg er glad for at se dette vigtige eksperiment fortsætte med at fortælle os mere om disse fascinerende partikler."

NOvA's nye antineutrino resultat ledsager en forbedring af dets analysemetoder, fører til en mere præcis måling af dens neutrinodata. Fra 2014 til 2017, NOvA så 58 kandidater til interaktioner fra myonneutrinoer, der ændrede sig til elektronneutrinoer, og videnskabsmænd bruger disse data til at komme tættere på at optrevle nogle af de mest knudrede mysterier af disse undvigende partikler.

Nøglen til NOvA's videnskabsprogram er at sammenligne den hastighed, hvormed elektronneutrinoer optræder i fjerndetektoren, med den hastighed, hvormed elektron-antineutrinoer optræder. En præcis måling af disse forskelle vil gøre det muligt for NOvA at nå et af sine videnskabelige hovedmål:at bestemme, hvilken af ​​de tre typer neutrinoer, der er den tungeste, og hvilken den letteste.

Neutrinoer har vist sig at have masse, men videnskabsmænd har ikke været i stand til direkte at måle den masse. Imidlertid, med nok data, de kan bestemme de relative masser af de tre, et puslespil kaldet massebestilling. NOvA arbejder på at få et endeligt svar på dette spørgsmål. Forskere på eksperimentet vil fortsætte med at studere antineutrinoer gennem 2019 og, i de følgende år, vil i sidste ende indsamle lige store mængder data fra neutrinoer og antineutrinoer.

"Dette første datasæt fra antineutrinos er kun en start på, hvad der lover at blive et spændende løb, " sagde NOvA-medtalsmand Tricia Vahle fra William &Mary. "Det er tidlige dage, men NOvA giver os allerede ny indsigt i de mange mysterier af neutrinoer og antineutrinoer."