Maksimal masse af letteste neutrino afsløret ved hjælp af astronomiske big data

Neutrinoer kommer i tre smagsvarianter, der består af en blanding af tre neutrinomasser. Mens forskellene mellem masserne er kendte, der var kun få oplysninger tilgængelige om massen af ​​de letteste arter indtil nu.

Det er vigtigt bedre at forstå neutrinoer og de processer, hvorigennem de opnår deres masse, da de kunne afsløre hemmeligheder om astrofysik, herunder hvordan universet holdes sammen, hvorfor det udvider sig, og hvad mørkt stof er lavet af.

Første forfatter, Dr. Arthur Loureiro (UCL Fysik &Astronomi), sagde:"Hundrede milliarder neutrinoer flyver gennem din tommelfinger fra Solen hvert sekund, selv om natten. Disse er meget svagt interaktive spøgelser, som vi ikke ved meget om. Hvad vi ved er, at når de bevæger sig, de kan skifte mellem deres tre smagsvarianter, og dette kan kun ske, hvis mindst to af deres masser er ikke-nul."

"De tre smagsvarianter kan sammenlignes med is, hvor du har en ske med jordbær, chokolade og vanilje. Tre smagsvarianter er altid til stede, men i forskellige forhold, og det skiftende forhold - og partiklens mærkelige opførsel - kan kun forklares ved, at neutrinoer har en masse."

Konceptet om, at neutrinoer har masse, er relativt nyt, da opdagelsen i 1998 gav professor Takaaki Kajita og professor Arthur B. McDonald Nobelprisen i fysik i 2015. Ikke desto mindre, Standardmodellen brugt af moderne fysik er endnu ikke opdateret for at tildele neutrinoer en masse.

Studiet, offentliggjort i dag i Fysisk gennemgangsbreve af forskere fra UCL, Universidade Federal do Rio de Janeiro, Institut d'Astrophysique de Paris og Universidade de Sao Paulo, sætter en øvre grænse for massen af ​​den letteste neutrino for første gang. Partiklen kunne teknisk set ikke have nogen masse, da en nedre grænse endnu ikke er fastlagt.

Holdet brugte en innovativ tilgang til at beregne massen af ​​neutrinoer ved at bruge data indsamlet af både kosmologer og partikelfysikere. Dette omfattede brug af data fra 1,1 millioner galakser fra Baryon Oscillation Spectroscopic Survey (BOSS) til at måle udvidelseshastigheden af ​​universet, og begrænsninger fra partikelacceleratoreksperimenter.

"Vi brugte information fra en række forskellige kilder, herunder rum- og jordbaserede teleskoper, der observerede universets første lys (den kosmiske mikrobølgebaggrundsstråling), eksploderende stjerner, det største 3D-kort over galakser i universet, partikelacceleratorer, atomreaktorer, og mere, " sagde Dr. Loureiro.

"Da neutrinoer er rigelige, men små og undvigende, vi havde brug for enhver tilgængelig viden til at beregne deres masse, og vores metode kunne anvendes på andre store spørgsmål, der forvirrede både kosmologer og partikelfysikere."

Forskerne brugte informationen til at forberede en ramme, hvori man matematisk kunne modellere massen af ​​neutrinoer og brugte UCL's supercomputer, Nåde, at beregne den maksimalt mulige masse af den letteste neutrino til at være 0,086 eV (95 % CI), hvilket svarer til 1,5 x 10-37 kg. De beregnede, at tre neutrinosmage tilsammen har en øvre grænse på 0,26 eV (95 % CI).

Anden forfatter, Ph.D. studerende Andrei Cuceu (UCL Fysik &Astronomi), sagde:"Vi brugte mere end en halv million computertimer på at behandle dataene; det svarer til næsten 60 år på en enkelt processor. Dette projekt rykkede grænserne for big data-analyse i kosmologi."

Holdet siger, at forståelsen af, hvordan neutrinomassen kan estimeres, er vigtig for fremtidige kosmologiske undersøgelser som DESI og Euclid, som begge involverer hold fra hele UCL.

Dark Energy Spectroscopic Instrument (DESI) vil studere universets struktur i stor skala og dets mørke energi og mørke stofindhold med høj præcision. Euclid er et nyt rumteleskop, der udvikles sammen med European Space Agency for at kortlægge geometrien af ​​det mørke univers og udviklingen af ​​kosmiske strukturer.

Professor Ofer Lahav (UCL Fysik &Astronomi), medforfatter af undersøgelsen og formand for UK Consortiums of the Dark Energy Survey og DESI sagde:"Det er imponerende, at samlingen af ​​galakser på enorme skalaer kan fortælle os om massen af ​​den letteste neutrino, et resultat af fundamental betydning for fysikken. Denne nye undersøgelse viser, at vi er på vej til faktisk at måle neutrinomasserne med den næste generation af store spektroskopiske galakseundersøgelser, såsom DESI, Euklid og andre."

Arthur Loureiro et al., 'On the Upper Bound of Neutrino Masses from Combined Cosmological Observations and Particle Physics Experiments' vil blive offentliggjort i Fysisk gennemgangsbreve torsdag den 22. august 2019.