Fra Kina til Sydpolen:Sammenlægning af kræfterne for at løse neutrinomassen

Blandt de mest spændende udfordringer i moderne fysik er identifikation af neutrinomasseordenen. Fysikere fra Cluster of Excellence PRISMA+ ved Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) spiller en ledende rolle i en ny undersøgelse, der indikerer, at puslespillet med neutrinomasseorden endelig kan blive løst i løbet af de næste par år. Dette vil være takket være den kombinerede udførelse af to nye neutrino-eksperimenter, der er i pipelinen - Opgraderingen af ​​IceCube-eksperimentet på Sydpolen og Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) i Kina. De vil snart give fysikerne adgang til meget mere følsomme og komplementære data om neutrinomasseordenen.

Neutrinoer er kamæleoner blandt elementære partikler

Neutrinoer produceres af naturlige kilder - i det indre af solen eller andre astronomiske objekter, for eksempel - men også i store mængder af atomkraftværker. Imidlertid, de kan passere gennem normalt stof – såsom den menneskelige krop – praktisk talt uhindret uden at efterlade et spor af deres tilstedeværelse. Det betyder, at ekstremt komplekse metoder, der kræver brug af massive detektorer, er nødvendige for at observere lejlighedsvise sjældne reaktioner, hvor disse 'spøgelsespartikler' er involveret.

Neutrinoer findes i tre forskellige typer:elektron, muon og tau neutrinoer. De kan skifte fra en type til en anden, et fænomen, som forskerne kalder 'neutrino-oscillation'. Det er muligt at bestemme massen af ​​partiklerne ud fra observationer af oscillationsmønstrene. I årevis nu, fysikere har forsøgt at fastslå, hvilken af ​​de tre neutrinoer der er den letteste, og hvilken der er den tungeste. Prof. Michael Wurm, en fysiker ved PRISMA+ Cluster of Excellence og Institut for Fysik ved JGU, som spiller en vigtig rolle i etableringen af ​​JUNO-eksperimentet i Kina, forklarer:"Vi mener, at besvarelsen af ​​dette spørgsmål vil bidrage væsentligt til, at vi kan indsamle langsigtede data om krænkelse af materie-antimatter-symmetri i neutrinosektoren. Derefter, ved at bruge disse data, vi håber en gang for alle at finde ud af, hvorfor stof og antistof ikke fuldstændig udslettede hinanden efter Big Bang."

Globalt samarbejde betaler sig

Begge storskalaeksperimenter bruger meget forskellige og komplementære metoder for at løse puslespillet om neutrino-masseordenen. "En indlysende tilgang er at kombinere de forventede resultater af begge eksperimenter, " påpeger prof. Sebastian Böser, også fra PRISMA+ Cluster of Excellence og Institute of Physics på JGU, der forsker i neutrinoer og er en stor bidragyder til IceCube-eksperimentet.

Ikke før sagt end gjort. I det aktuelle nummer af tidsskriftet Fysisk gennemgang D , forskere fra IceCube og JUNO -samarbejdet har offentliggjort en kombineret analyse af deres eksperimenter. For det, forfatterne simulerede de forudsagte eksperimentelle data som en funktion af måletiden for hvert eksperiment. Resultaterne varierer afhængigt af, om neutrinomasserne er i deres normale eller omvendte (omvendte) rækkefølge. Næste, fysikerne udførte en statistisk test, hvor de anvendte en kombineret analyse til de simulerede resultater af begge forsøg. Dette afslørede graden af ​​følsomhed, hvormed begge eksperimenter kombineret kunne forudsige den korrekte rækkefølge, eller rettere udelukke den forkerte rækkefølge. Da de observerede oscillationsmønstre i JUNO og IceCube afhænger af den faktiske neutrinomasserækkefølge på en måde, der er specifik for hvert eksperiment, den kombinerede test har en diskriminerende kraft, der er væsentligt højere end de individuelle eksperimentelle resultater. Kombinationen vil således gøre det muligt definitivt at udelukke den forkerte neutrinomasserækkefølge inden for en måleperiode på tre til syv år.

"I dette tilfælde, helheden er virkelig mere end summen af ​​dens dele, " slutter Sebastian Böser. "Her har vi klare beviser for effektiviteten af ​​en komplementær eksperimentel tilgang, når det kommer til at løse de resterende neutrino-gåder." "Intet eksperiment kunne opnå dette af sig selv, uanset om det er IceCube-opgraderingen, JUNO eller nogen af ​​de andre kører i øjeblikket, " tilføjer Michael Wurm. "Desuden viser det bare, hvad neutrinofysikere her i Mainz kan opnå ved at arbejde sammen."