De er der, og de er væk:ICARUS jagter en fjerde neutrino

Argon. Det er overalt omkring os. Det er i luften, vi trækker vejret, glødelamper, vi læste ved og plasmakloder, mange af os legede med som børn.

I flydende form, argon er også et billigt og effektivt mål for neutrinofysikeksperimenter. Den 21. feb. forskere ved Fermilab begyndte at køle ned ICARUS - den største partikeldetektor i laboratoriets Short-Baseline Neutrino Program - og fylde den med 760 tons flydende argon, flytte ICARUS tættere på driften og søgningen efter en fjerde type neutrino.

"The Short-Baseline Neutrino Program er fantastisk, fordi det endelig vil løse langvarige unormale resultater i neutrinomålinger, "sagde Robert Wilson, stedfortrædende talsmand for ICARUS og professor i fysik ved Colorado State University.

"Neutrinoer er en grundlæggende og rigelig bestanddel af vores univers:Vi ved stadig for lidt om dem, og dette holder mig meget interesseret i at fortsætte med at søge i deres ejendomme, " tilføjede Carlo Rubbia, Nobelpristager og ICARUS-talsmand.

For over 20 år siden, forskere ved Los Alamos National Laboratory fandt flere elektron-antineutrinoer, end de forventede i deres resultater fra Liquid Scintillator Neutrino Detector. I et opfølgende eksperiment mere end 10 år senere, videnskabsmænd på MiniBooNE-eksperimentet på Fermilab observerede en lignende inkonsekvens og afslørede en ny anomali i deres neutrinodata.

Forskere spekulerer på, om dette var mere end en tilfældighed.

En fjerde type neutrino

Det er veletableret, at de tre kendte neutrinotyper – elektron, muon og tau - oscillere, eller ændre, ind i hinanden. For at studere disse svingninger og hvordan de sker, videnskabsmænd har brug for neutrinoer for at interagere med noget. For ICARUS, dette stof er flydende argon.

I ICARUS-eksperimentet, en neutrino-stråle af muon-type vil interagere med flydende argon og bør, i teorien, producerer for det meste ladede partikler kaldet myoner. (En neutrinostråle af elektrontypen skulle hovedsagelig producere elektroner.) Men givet resultater fra Liquid Scintillator Neutrino Detector og MiniBooNE, dette er kun en del af historien, og ICARUS har til hensigt at udfylde hullerne.

"Hvad hvis neutrinoerne svinger til et neutrino, der slet ikke interagerer, ikke engang lidt som andre neutrinoer gør? "sagde Wilson." Dette er ikke en naturlig forlængelse af neutrino -teorien, men det kunne forklare LSND- og MiniBooNE-resultaterne."

Sådan en fjerde type neutrino, i modsætning til de andre, ville ikke ændre sig til en komplementær ladet partikel ved interaktion i en detektor. Faktisk, det ville slet ikke interagere. Ved kvantemekanik, imidlertid, denne såkaldte sterile neutrino kunne stadig oscillere mellem neutrinotyper og ændre det oscillationsmønster, som ICARUS vil observere.

Opdagelsen af ​​en steril neutrino ville ændre standardmodellen af ​​subatomære partikler og påvirke vores forståelse af, hvordan universet har udviklet sig.

Fra fyldning til bjælke

ICARUS optimale placering, størrelse og detektormateriale gør det unikt følsomt over for at detektere neutrinoer, der ville vise denne oscillationseffekt. Hvis ICARUS-forskere finder flere elektronneutrinoer i deres muon-type neutrinostråle end forventet, de ville langt om længe have konkrete beviser for sterile neutrinoer.

ICARUS's målinger vil også informere om, hvordan neutrinoeksperimenter med lang baseline indsamler og analyserer data. For eksempel, videnskabsmænds erfaringer med ICARUS vil informere de meget større, internationalt dybt underjordisk Neutrino -eksperiment, vært hos Fermilab. ICARUS's flydende-argon-detektionsteknologi vil blive tilpasset til DUNE, som vil bruge 70, 000 tons flydende argon til at studere de tre kendte neutrinotyper og hvordan de ændrer sig fra den ene til den anden.

"ICARUS er nået langt fra sin idé- og dataoptagelsesaktivitet på Gran Sasso-laboratoriet i Italien og nærmer sig nu en ny fase af dataindsamling her hos Fermilab. Jeg er begejstret for at se entusiasmen hos en yngre generation af videnskabsmænd nu kl. arbejde med dette eksperiment, " sagde Rubbia.

Det vil tage cirka otte uger at fylde ICARUS med flydende argon. Når detektoren er fyldt, videnskabsmænd vil kontrollere dets stabilitet og argonets renhed. Derefter, de vil tænde for strømmen for første gang siden ICARUS tog vej til Fermilab på tværs af Atlanterhavet. De forventer at se de første partikelspor senere i år.