Fermilab -forskere leder søgen efter at finde undvigende fjerde slags neutrino

Neutrinoer, spøgelsesagtige grundpartikler, der er berømt vanskelige at studere, kunne give forskere spor om universets udvikling.

De er så svære at fange, faktisk, at det er muligt, at der er en fjerde type, der har gemt sig lige under vores næser i årtier.

Forskere ved UChicago-tilknyttede Fermi National Accelerator Laboratory, stedet for den mest omfattende neutrino -forskning i verden, leder et internationalt samarbejde for at undersøge muligheden for en helt ny partikel. Selvom tre typer neutrino er kendt, forskere leder efter en mulig fjerde - den sterile neutrino, hvis eksistens er blevet drillet, men aldrig klart bekræftet.

Hovedkomponenter til det nye neutrino-eksperiment ankommer fra hele verden for at blive integreret i den kommende Short-Baseline Near Detector, eller SBND, på Fermilab.

"Programmet med kort baseline har til formål at adressere interessante resultater fra tidligere eksperimenter, der kunne antyde en ny klasse af neutrinoer, som ville åbne en helt ny, uventet område inden for neutrinofysik, "sagde David Schmitz, SBND-medordfører og assisterende professor i fysik ved University of Chicago. "Men uanset hvad vi finder, resultaterne skulle give os klarhed om dette mangeårige puslespil. "

På Fermilab, ligger cirka 45 miles vest for Chicago, tre detektorer sidder på en stråle af neutrinoer genereret af Fermilabs partikelacceleratorer. Af de tre, den nye detektor sidder tættest på strålekilden, kun 360 meter væk. (De to andre, MicroBooNE og ICARUS, er 1, 500 fod og 2, 000 fod fra kilden, henholdsvis.)

"Grunden til at du har tre detektorer er, at du vil prøve neutrino -strålen langs strålelinjen i forskellige afstande, "sagde Fermilab neutrino -videnskabsmand Ornella Palamara, den anden talsmand for projektet.

Når neutrinoer passerer gennem den ene detektor efter den anden, nogle af dem efterlader spor i detektorerne. Forskere vil analysere disse oplysninger for at søge efter faste beviser for det hypotese, men aldrig set medlem af neutrino -familien.

Gør en (dis) optræden

Neutrinoer findes i en af ​​tre "varianter":elektron, muon og tau. De skifter fra en smag til en anden, når de rejser gennem rummet, som kaldes svingning. Neutrinoer vides at svinge ind og ud af de tre varianter, men kun yderligere beviser vil hjælpe forskere med at afgøre, om de også svinger til en fjerde type - en steril neutrino.

Hvis disse sterile neutrinoer eksisterer, de interagerer slet ikke med stof. (Neutrinoerne vi kender interagerer, men kun sjældent.) Resultater fra andre forsøg har antydet muligheden for den sterile neutrinos eksistens, men indtil videre, ingen har bekræftet det.

SBND, som den første detektor i strålen, vil registrere antallet af elektron- og muonneutrinoer, der passerer igennem det, før oscillation kan forekomme. Langt de fleste af dem - omkring 99,5 procent - vil være muonneutrinoer. Da de ankom til fjerndetektorerne, MicroBooNE og ICARUS, et par ud af hver tusinde muonneutrinoer kan have omdannet til elektronneutrinoer.

To mulige resultater kunne indikere eksistensen af ​​den nye partikel.

Den ene er, at fjerndetektorerne ser flere elektronneutrinoer end forventet. Dette kan være tegn på, at sterile neutrinoer også er til stede:Neutrinoerne kan omdanne til og ud af sterile neutrino -tilstande på en måde, der producerer et overskud af elektronneutrinoer. Den anden er, at fjerndetektorerne ser færre muonneutrinoer end forventet - de muonneutrinoer, der er spottet i SBND "forsvinder" - fordi de omdannes til sterile neutrinoer.

"At have et enkelt eksperiment, hvor vi kan se elektronneutrino -udseende og muonneutrino -forsvinden samtidigt og sikre, at deres størrelser er kompatible med hinanden, er enormt kraftfuld for at forsøge at opdage sterile neutrino -svingninger, "sagde Schmitz." Den nærmeste detektor forbedrer vores evne til at gøre det væsentligt. "

Komponenter fra tre kontinenter

Den første af fire anodeplansamlinger, meget følsomme elektroniske komponenter, kom til Fermilab i oktober. Flere er på vej.

Anodeplanets samlinger, i alt fire, er en del af en 4-by-4-by-5-meter detektor, der vil blive suspenderet inde i en kryogen tank fyldt med flydende argon ved -300 grader Fahrenheit. Hver samling er en enorm ramme dækket med tusindvis af sarte sansetråde, designet til at spore partikler, der kommer fra neutrinoer, der kolliderer med argonatomer i tanken.

SBND vil også være en testplads for nogle af teknologierne, herunder anodeplansamlinger, der vil blive brugt i det internationale Deep Underground Neutrino Experiment, kendt som DUNE, et megascience -eksperiment hostet af Fermilab, der i øjeblikket er under opførelse i South Dakota.

Institutioner i Europa, Sydamerika og USA hjælper med at bygge SBNDs forskellige komponenter. I alt, mere end 20 institutioner på tre kontinenter er involveret i indsatsen. En anden snes samarbejder om softwareværktøjer til at analysere data, når detektoren er operationel, Sagde Schmitz.

"At være en del af et internationalt samarbejde er fantastisk, "Sagde Palamara." Selvfølgelig, der er udfordringer, men det er fantastisk at se mennesker komme fra hele verden for at arbejde på programmet. Det er spændende at få dele af detektoren bygget forskellige steder og derefter se alt sammen. "

Montering af SBND forventes afsluttet i efteråret 2019, hvorefter detektoren vil blive installeret i sin bygning langs den accelerator-genererede neutrino-stråle. SBND skal efter planen begynde at modtage neutrinoer inden udgangen af ​​2020.