Kan neutrinoer hjælpe med at forklare, hvad der er i vejen med antistof?

I fysik, antistof er simpelthen det "modsatte" af stof. Antistofpartikler har samme masse som deres modstykker, men med andre egenskaber vendt; for eksempel, protoner i stof har en positiv ladning, mens antiprotoner er negative. Antistof kan fremstilles i et laboratorium ved hjælp af højenergipartikelkollisioner, men disse begivenheder skaber næsten altid lige dele af både antistof og stof og, når to modstående partikler kommer i kontakt med hinanden, begge er ødelagt i en kraftig bølge af ren energi.

Det, der undrer fysikere, er, at næsten alt i universet, mennesker inkluderet, er lavet af stof, ikke af lige dele stof og antistof. Mens jeg ledte efter indsigt, der kunne forklare, hvad der holdt universet fra at skabe separate stof- og antistofgalakser, eller eksploderer i intetheden, forskere fandt nogle beviser på, at svaret kunne gemme sig i meget almindelige, men dårligt forståede partikler kendt som neutrinoer.

Et team af forskere ledet af Christopher Mauger offentliggjorde resultater fra det første sæt eksperimenter, der kan hjælpe med at besvare disse og andre spørgsmål inden for grundlæggende fysik. Som en del af programmet Cryogenic Apparatus for Precision Tests of Argon Interactions with Neutrino (CAPTAIN), deres resultater, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , er et vigtigt første skridt mod opbygningen af ​​Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), et forsøgsanlæg til neutrinovidenskab og partikelfysikforskning.

Partikelkolliderer, såsom Large Hadron Collider ved CERN, lave eksperimenter med kvarker, en type elementarpartikel. Disse eksperimenter fandt nogle beviser, der forklarer stof-antistof-symmetri, men kun en del af det. Eksperimenter med en anden type elementarpartikel, leptoner, antyder, at disse partikler mere fuldstændigt kunne forklare denne universelle asymmetri. Tidligere forskning i neutrinoer, en type lepton, fandt uventede mønstre i de tre neutrino-smag, Resultater, som fysikere mener, også kan betyde, at deres asymmetri kan være større end forventet.

Men udfordringen med at studere neutrinoer er, at de sjældent interagerer med andre partikler; en enkelt neutrino kan passere gennem et lysår med bly uden at gøre noget. At finde disse sjældne interaktioner betyder, at forskere skal studere et stort antal neutrinoer i lange perioder. Som en ekstra udfordring, den konstante strøm af myoner produceret af kosmiske stråleinteraktioner i den øvre atmosfære kan gøre det svært at få øje på de sjældne interaktioner, som forskerne er mere interesserede i at se.

Løsningen? Gå 5, 000 fod under jorden, bygge fire 10-kilotons detektorer fyldt med flydende argon, og affyre en stråle af neutrinoer lavet i en partikelaccelerator, der er 800 miles væk. Dette er det endelige mål for DUNE, en international neutrinoforskningsfacilitet drevet af Fermilab, et partikelfysik- og acceleratorlaboratorium nær Chicago. Udgravninger til detektoren, som vil blive installeret på Sanford Underground Research Facility i South Dakota, er i gang, og forskere har nu travlt med eksperimenter, inden den første detektor installeres i 2022.

Som den første publikation, der kommer fra CAPTAIN, forskere behandlede en central teknisk udfordring:Hvordan man håndterer målinger på andre partikelinteraktioner. For eksempel, når en neutrino interagerer med argon, neutrinoen opfanger en ladning og sparker neutroner ud. En stor del af energien fra interaktionen vil gå ind i neutronen, men det har ikke været muligt at fastsætte beløbet. "Vi skal forstå argon-neutron-interaktioner, hvis vi vil udføre det eksperiment, der vil påvirke vores forståelse af stof og antistof-asymmetri, korrekt, siger Mauger.

Han og hans team byggede en 400 kilogram prototype af DUNE-detektoren, kendt som Mini-KAPTÆN, og indsamlede data fra en neutronstråle ved Los Alamos National Laboratory. Tidligere Penn postdoc Jorge Chaves, der arbejdede som analyseleder for denne forskning, siger, at hovedparten af ​​arbejdet involverede at rekonstruere signalerne fra detektoren til meningsfuld indsigt om de egenskaber, som de er interesseret i at studere nærmere.

Som det første datasæt nogensinde om neutroninteraktioner i flydende argon ved de energiområder, der vil blive brugt i DUNE, Chaves siger, at han er opmuntret af de hidtil opnåede resultater, selvom de stadig mangler at få yderligere data. "Før, der var ingen måling af dette interaktionstværsnit, men nu har vi givet faktiske eksperimentelle resultater, " siger han. "Med flere data af samme kvalitet, vi ville være i stand til at foretage en endnu mere præcis måling."

På kort sigt, CAPTAIN-teamet vil fokusere på at forfine de metoder, der er udviklet til dette papir, samt på at køre andre eksperimenter, før DUNE begynder at indsamle data i 2026. Når projektet officielt starter, forskere håber at kunne bruge denne facilitet til at hjælpe med at besvare spørgsmål fra partikelfysikkens områder, kernefysik, og endda astrofysik.

Mauger betragter den igangværende indsats fra CAPTAIN og andre projekter som "Fysik R&D, " arbejde, der vil hjælpe forskere med at indsamle vigtige målinger og studere fænomener på en måde, der aldrig er gjort før. De mange høje mål for DUNE vil tage årtier at fuldføre, men Mauger siger, at det, de forsøger at opnå, gør indsatsen umagen værd.

"Neutrinoer er så svære at måle, en slags gådefuld, og der er en form for tillokkelse i at prøve at forstå, hvordan de fungerer. At studere denne virkelig interessante partikel, der er overalt omkring os, og alligevel er det så svært at måle, som kunne rumme nøglen til at forstå, hvorfor vi overhovedet er her, det er spændende - og jeg kommer til at gøre det her for at leve, siger Mauger.