DUNE-eksperimentet kan føre til nye opdagelser om solneutrinoer

The Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) er et internationalt forskningssamarbejde, der har til formål at udforske emner relateret til neutrinoer og protonhenfald, som skulle begynde at indsamle data omkring 2025. I en nylig undersøgelse omtalt i Fysisk gennemgangsbreve , et team af forskere ved Ohio State University har vist, at DUNE har potentialet til at levere banebrydende resultater og indsigt om solneutrinoer.

Neutrino astronomi er et felt, der studerer de forskellige typer neutrinoer. Forskning på dette område, såsom den nylige undersøgelse udført af holdet ved Ohio State University, er steget dramatisk i løbet af de seneste årtier.

"Så vidt vi ved, neutrinoer er elementarpartikler, hvilket betyder, at de ikke er sammensat af 'mindre stykker, '" Francesco Capozzi, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Disse partikler har ingen elektrisk ladning, så de kan ikke interagere elektromagnetisk via den kraft, der holder elektroner og protoner sammen i et atom."

Neutrinoer er fascinerende partikler, da deres hovedegenskaber er meget forskellige fra andre elementarpartiklers. For eksempel, deres masser er utroligt små, en milliondel af de næstletteste partikler (dvs. elektroner).

En anden unik egenskab ved neutrinoer er, at de kun kan interagere med andet stof via en såkaldt 'svag interaktion.' Som antydet af navnet, denne 'svage interaktion' er meget svagere end den elektromagnetiske; så svag, at neutrinoer kan rejse gennem Jorden eller solen uden nogensinde at interagere med andre partikler. Ud over, da de er neutrale ansvarlige, neutrinoer påvirkes ikke af Jordens eller solens magnetfelter.

"Egenskaberne ved neutrinoer gør dem til unikke sonder af universet, " sagde Capozzi. "De kan bære information om regioner, som ellers ville være utilgængelige."

Der er flere kilder til neutrinoer, og afhængigt af hvor de produceres, de kan variere i flux, energier pr. partikel, og andre ejendomme. Solneutrinoer, for eksempel, produceres i solens kerne, men kan så flygte til andre dele af solsystemet. Cirka 60 milliarder elektronneutrinoer per kvadratcentimeter når Jorden fra solen hvert sekund. Analyse af disse partikler kunne give forskere mulighed for at afdække information i realtid om, hvad der sker i midten af ​​solen.

En anden type neutrino omfatter dem, der produceres under de superenergiske eksplosioner af massive stjerner, supernova neutrinoer. Disse neutrinoer når Jorden timer før lyset produceret i eksplosionen, og kommer direkte fra den inderste del af en eksploderende stjerne, hvor tætheden er så høj, at selv neutrinoer kan blive fanget i et stykke tid. Dette er blot nogle få eksempler på neutrinokilder, men der er utallige andre, hvoraf nogle endnu ikke er blevet opdaget.

"Der eksisterer endda neutrinoer, der har forplantet sig frit gennem universet siden omkring et sekund efter Big Bang, som bærer aftryk af det oprindelige univers, " sagde Capozzi. "Men, vi har stadig ikke været i stand til at opdage disse."

Baseret på hvad astrofysikere har observeret indtil videre, neutrinoer findes i tre hovedsmagsvarianter:elektronneutrinoer, myon neutrinoer og tau neutrinoer. Hver af disse forskellige 'smag' identificeres baseret på den ladede partikel produceret under en svag interaktion (dvs. elektroner, muons eller taus).

Indtil nu, at opdage og studere neutrinoer har vist sig at være utroligt udfordrende, hovedsagelig på grund af det faktum, at de sjældent interagerer med andet stof. En måde at overvinde denne begrænsning på er ved at bygge store detektorer, der kompenserer for den lave sandsynlighed for neutrino-interaktioner ved at øge antallet af mulige partikler, de kan interagere med.

Super-Kamiokande (Super-K) detektor i Japan, som i det væsentlige består af en tank fyldt med 50, 000 tons af det reneste vand på jorden, er i øjeblikket den største detektor, der er tilgængelig for MeV (lavenergi) neutrinoer. Lavenergineutrinoer er dem i MeV-energiområdet, som hovedsagelig produceres i nukleare processer, for eksempel, via fusionsreaktioner i solen eller i midten af ​​eksploderende stjerner.

"Et andet problem er, at vi ikke selv kan se neutrinoer ved hjælp af detektorer; vi kan kun se den ladede partikel, der produceres i deres interaktioner, " forklarede Capozzi. I Super-Kamiokande, for eksempel, vi ser det lys, disse ladede partikler udsender i vand, når de rejser med næsten lysets hastighed."

Solen er en af ​​de vigtigste naturlige kilder til neutrinoer, da de produceres via de samme atomreaktioner, der lader solen skinne. Da videnskabsmænd først begyndte at opdage solneutrinoer i 1960'erne, de fandt ud af, at der var færre elektronneutrinoer, end de forventede.

"En mulig forklaring på denne anomali var, at neutrinoer ændrede deres smag, mens de forplantede sig, " Capozzi forklarede. "Dette fænomen, nu kendt som neutrinoscillation, er kun fysisk muligt, hvis neutrinoer har masse. Det tog omkring 30 år at bekræfte, at solneutrino-anomalien var, Ja, på grund af neutrinoscillationer."

I det væsentlige, selvom neutrinoer kommer i forskellige smagsvarianter, videnskabsmænd opdagede, at de også kan svinge og 'ændre smag'. De to fysikere, der opdagede dette, Takaaki Kajita og Arthur B. McDonald, blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2015.

"Det mærkeligste ved neutrinoer er måske, at de svinger, "Shirley Li, en anden forsker involveret i undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Neutrinoer født med én smag kan blive til neutrinoer med en anden smag, når de har forplantet sig over et stykke afstand. Forestil dig, hvor overrasket du ville blive, hvis du købte en kop chokoladeis og ser, at den blev til jordbæris, når du åbner den kl. Fysikere var lige så overraskede, da neutrinoscillation blev opdaget."

Siden opdagelsen af ​​neutrinoscillationer, forskere har brugt solneutrinoer til at bestemme parametrene, der beskriver deres svingninger. På trods af den store indsats for at opnå dette, mange spørgsmål forbliver ubesvarede.

For det første, forskere var ude af stand til at observere alle de nukleare reaktioner gennem de korrespondent neutrinoer. For eksempel, 'hep' neutrinoer, som er fremstillet ved fusion af en kerne af helium og en proton, har vist sig at være særligt svære at observere. Faktisk, mens hep neutrinoer er de mest energiske blandt solneutrinoer, de er meget små i flux sammenlignet med andre neutrinoer.

Ud over, oscillationsparametrene bestemt i solneutrino-forsøg er ikke i fuldstændig overensstemmelse med de målinger, der er indsamlet i andre typer eksperimenter. Dette kan skyldes nogle ukendte fysiske fænomener, der kun påvirker solneutrinoer.

"Vi er ikke løbet tør for spørgsmål om solneutrinoer, vi er løbet tør for detektorfremskridt, "John Beacom, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org.

På grund af eksisterende detektorers begrænsninger, de fleste nuværende neutrino -eksperimenter vil sandsynligvis ikke være i stand til at løse ubesvarede spørgsmål. Dette inspirerede et stort og internationalt team af forskere til at begynde at bygge DUNE, en stor detektor i en mine i South Dakota, der er 4850 fod under jorden.

"I fortiden, det er allerede blevet diskuteret, at DUNE kunne bruges som en solar neutrino detektor, også, "Sagde Capozzi." Men der er ikke foretaget nogen grundig undersøgelse i denne retning. Vi besluttede at dække dette hul, viser, at DUNE faktisk er i stand til at give svarene på disse spørgsmål, med stort set ingen ekstra pengeinvestering."

I deres nylige undersøgelse, Capozzi, Li, Beacom og deres kollega Guanying Zhu satte sig for at bevise, at DUNE-minen også kunne være en verdensførende solneutrino-detektor. For at gøre dette, de vurderede først minens mængde af baggrund, som i det væsentlige er noget, der observeres i en detektor, der efterligner det signal, man leder efter, selvom det har en helt anden oprindelse. Denne baggrund kan forvirre og påvirke måling og påvisning af neutrinoer negativt.

"I det energiområde, der er relevant for solneutrinoer, den vigtigste baggrund kommer fra naturlig radioaktivitet, " Capozzi forklarede. "Da eksperimentet vil være baseret i en hule i en dyb mine, radioaktiviteten kommer fra den omgivende sten. For at lave et skøn over baggrunden, vi skal først forstå den stensammensætning, der forventes for detektorstedet. "

Simulering af baggrundsbegivenheder i DUNE viste sig at være noget udfordrende, da disse kan komme fra en række forskellige kilder, og at identificere dem kræver derfor dybtgående analyser. Da de først begyndte at arbejde på deres studie, forskerne begyndte således at undersøge baggrundskilderne for neutrinoeksperimenter udført i fortiden og beregnede disse hastigheder i sammenhæng med DUNE.

"Det viser sig, at deres rater er rimelig lave sammenlignet med signalhastighederne, " sagde Li. "Men halvvejs i vores studie, vi opdagede i litteraturen eksistensen af ​​denne særlige baggrund kun for argon-detektorer. Disse er lavenergineutroner produceret af radioaktiviteter i omgivende sten. Dette viser sig at være den dominerende baggrund for måling af solneutrino i DUNE."

Forskerne baserede deres analyser på tidligere litteratur, der skitserer de geologiske aspekter af DUNEs mine, som er af afgørende betydning for at gennemføre ordentlige udgravninger. At kende den nøjagtige stensammensætning i minen, de var derefter i stand til at udføre en beregning for at forudsige dens forventede baggrund. Efterfølgende, de brugte statistiske værktøjer til at evaluere den præcision, DUNE kan nå ved måling af oscillationsparametrene og strømmen af ​​neutrinoer, der flygter fra solen.

Når de identificerede de mulige baggrundskilder i DUNE-eksperimentet, de forsøgte at finde på strategier for at eliminere baggrunden, da deres hastigheder typisk er meget højere end neutrinosignalhastighederne. De fandt på to forskellige løsninger:den ene, der indebærer, at detektoren omgives med et lag plastik, og den anden opsamler data i dobbelt så lang tid for at opnå bedre følsomhed.

"For hvert trin i eksperimentet, vi skulle tage os af yderligere detaljer, " sagde Capozzi. "F.eks. vi var nødt til at behandle neutrino-interaktionerne omhyggeligt med detektoren, som vil være lavet af flydende argon. Ved den energi, der er relevant for solneutrinoer, en meget vigtig interaktion er med hele argonkernen, som afhænger af komplicerede nukleare effekter."

Før de satte sig for at vurdere potentialet af DUNE som en detektor for at opdage nye ting om neutrinoer, forskerne gennemgik al tidligere forskning om dette emne, sammenligne resultater, der blev opnået ved hjælp af forskellige eksperimentelle og teoretiske kernefysiske teknikker. Ultimativt, de valgte den teknik, som de følte var mere passende, og implementerede den ved hjælp af lokale computere på deres universitet.

"Vi har nu en teoretisk ramme, der giver os mulighed for at beregne sandsynligheden for, at neutrinoer født med en smag tuner ind i en anden smag, " sagde Li. "Dette afhænger af neutrinoens energi og udbredelsesafstanden, samt seks oscillationsparametre. Vi ønskede at måle så mange typer neutrinoscillation, som vi kunne, f.eks., neutrinoer med en af ​​de tre smagsvarianter, der svinger til andre smagsvarianter, for at få de mest præcise målinger af de seks oscillationsparametre, og vigtigst af alt, at evaluere, om vores nuværende ramme for neutrino-oscillation var, Ja, korrekt."

DUNE-eksperimentet er designet til at studere neutrinoer specifikt ved at måle en flux af højenergiske muon-neutrinoer, der oscillerer til elektronneutrinoer, der når en stor detektor, den South Dakota-baserede underjordiske mine. Dette kunne i sidste ende give forskere mulighed for at måle to oscillationsparametre, der groft blev målt i tidligere eksperimenter med større præcision.

Detektoren brugt i DUNE-eksperimentet er ekstremt stor sammenlignet med andre eksisterende detektorer. Det er 40 kiloton argon, som neutrinoer kan interagere med, og det registrerer partikler via en tidsprojektionskammerteknologi, muliggør indsamling af 3-D-billeder for hver neutrino-interaktion.

"Et naturligt spørgsmål er, hvad kan denne fantastiske detektor ellers måle? "sagde Li." Sådan fik vi ideen til at måle solneutrinoer med DUNE. Solneutrinoscillation er særlig interessant. Indtil nu, solar neutrino og reaktor neutrino oscillationsmønstre er lidt uenige. Dette kan skyldes to årsager:Enten er der en usandsynlig statistisk udsving i de aktuelle data, eller vores nuværende teoretiske forståelse af neutrinoscillation er ikke fuldstændig. Den anden mulighed er ekstremt spændende."

Et andet forsøg kaldet JUNO, planlagt til 2020, vil måle neutrinoer, der kommer ud af atomreaktorer. Solneutrinoer og reaktorneutrinoer er, i princippet, følsom over for de samme oscillationsparametre. Så hvis den teoretiske ramme foreslået af forskerne er rigtig, parametrene identificeret i JUNO-eksperimentet (dvs. for reaktorneutrinoer) bør tilpasses dem, der er indsamlet i DUNE -eksperimentet (dvs. for solneutrinoer).

Tidligere undersøgelser har fundet uoverensstemmelser mellem oscillationsparametrene for reaktor- og solneutrinoer, men de mere præcise målinger, der er sat til at blive indsamlet i JUNO- og DUNE-eksperimenterne, kunne kaste lidt lys over denne uoverensstemmelse. Dette kan igen føre til opdagelsen af ​​nye fysiske fænomener.

Indtil nu, der har været en vis skepsis i fysikverdenen om, at DUNE-minen er en effektiv sol-neutrino-detektor, primært på grund af den store mængde baggrund, der forventes, hvilket kan påvirke resultaterne negativt. I deres undersøgelse, imidlertid, Capozzi, Li, Zhu og Beacom demonstrerede, at DUNE kunne føre til verdensførende målinger af solneutrinoer, samtidig med at det muligvis muliggør de første nogensinde præcise målinger af 'hep' solneutrinoer.

"På trods af skepsisen vi var i stand til at vise, at denne baggrund kan reduceres drastisk ved at anvende nogle udvælgelseskriterier på det, vi vil se i detektoren, " sagde Capozzi. "Baggrunden til venstre vil kun dominere over signalet ved lave energier. Højenergidelen vil være 'uberørt, ' og vi anslåede, at det vil bestå af 100, 000 solneutrinoer observeret på fem år."

Ud over at demonstrere DUNEs enorme potentiale, Capozzi Li, Zhu, og Beacom introducerede en række mulige teoretiske og eksperimentelle forbedringer, der kunne forbedre DUNE-detektorens ydeevne. Disse forbedringer kan også gavne projektet som helhed, lette undersøgelsen af ​​andre fysiske fænomener.

For at besvare ubesvarede spørgsmål, den næste generation af neutrino-detektorer skal være enorm i størrelse og have avancerede detektionsmuligheder. Selv ved at bruge disse detektorer, nogle af egenskaberne og egenskaberne ved neutrinoer vil sandsynligvis forblive et mysterium, da der stadig er talrige tekniske udfordringer at overvinde.

"Uden denne måling i DUNE, vi ved måske aldrig, hvorfor solneutrinoer ser ud til at blande sig anderledes end reaktor-antineutrinoer, " sagde Beacom. "Vi siger ikke, at det vil være let at undersøge dette, men vi siger, at det er vigtigt."

Forskerne ved Ohio State University planlægger nu at dele resultaterne af deres beregninger og simuleringer, samt deres forslag til forbedringer med det astrofysiske samfund som helhed. De håber, at dette vil sætte gang i samtalen og i sidste ende tilskynde til ændringer, der yderligere kan forbedre ydeevnen af ​​DUNE-detektoren, før eksperimentet udføres.

"Vi er glade for at se, at DUNE-samarbejdet ser nærmere på detaljerne i vores analyse, og forhåbentlig får vi denne analyse udført, når DUNE kommer online, " sagde Li. "Samlet set, det er en virkelig spændende tid at studere neutrinoer, da der er så mange interessante målinger og test man kan lave i disse eksperimenter. Jeg forsøger stadig at komme med målinger, der ikke er blevet overvejet før, og studere, hvad de kan fortælle os om neutrinoer og fysik ud over standardmodellen."

Et af kernemålene for holdets fremtidige forskning vil være at få mest muligt ud af observationerne indsamlet i DUNE-minen eller ved at bruge andre store detektorer. At gøre dette, holdet planlægger at fortsætte med at undersøge nye teknikker, der kan gøre detektorer mere følsomme over for neutrinoer produceret fra astrofysiske kilder.

© 2019 Science X Network