Eksotiske neutrinoer vil være svære at pirre ud

Et internationalt hold, der sporer 'ny fysik'-neutrinoer, har kontrolleret dataene fra alle de relevante eksperimenter, der er forbundet med neutrino-detektioner, mod standardmodeludvidelser foreslået af teoretikere. Den seneste analyse, den første med så omfattende dækning, viser omfanget af udfordringer, som højrehåndede neutrinosøgere står over for, men bringer også en gnist af håb.

I alle de processer, der involverer neutrinoer, der er blevet observeret, disse partikler udviser en egenskab, der af fysikere omtales som venstrehåndethed. Højrehåndede neutrinoer, som er den mest naturlige forlængelse af standardmodellen, er ingen steder at se. Hvorfor? Det seneste, ekstremt omfattende analyse udført af en international gruppe af fysikere, herunder Institut for Nuklear Fysik ved det polske Videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow hjælper med at besvare dette spørgsmål. For første gang, data fra alle relevante eksperimenter, direkte og indirekte dedikeret til neutrino-detektion, blev inkluderet og kontrolleret i forhold til rækkevidden af ​​parametre pålagt af forskellige teoretiske udvidelser af standardmodellen.

Den første subatomare partikel, elektronen, blev observeret for mere end 120 år siden. Siden da, fysikere har opdaget en hel overflod af dem. Rigdommen af ​​naturens byggesten forklares ud fra den antagelse, at verden består af massive kvarker, forekommer i seks smagsvarianter, og meget mindre massive leptoner, også i seks smagsvarianter. Leptoner omfatter elektronen, myonen (vejer 207 gange elektronens masse), tauen (3477 gange en elektrons masse) og de tilsvarende tre typer neutrinoer.

Neutrinoer interagerer ekstremt dårligt med resten af ​​stoffet. De viser også andre træk af særlig betydning for den moderne fysiks form. Det er for nylig blevet opdaget, at disse partikler oscillerer, dvs. de forvandler sig konstant fra en type til en anden. Dette fænomen betyder, at de observerede neutrinoer skal have en vis (dog meget lav) masse. I mellemtiden standardmodellen, et moderne teoretisk værktøj, der beskriver subatomære partikler med stor nøjagtighed, efterlader intet alternativ:inden for dens rammer kan neutrinoer ikke have nogen masse! Denne modsætning mellem teori og erfaring er en af ​​de stærkeste indikationer til fordel for eksistensen af ​​ukendte subatomære partikler. Massen af ​​neutrinoer, imidlertid, er ikke deres eneste forvirrende ejendom.

"Vi lærer om tilstedeværelsen af ​​neutrinoer ved at observere henfaldsprodukterne af forskellige partikler og sammenligne det, vi har registreret med, hvad teori forudsiger. Det viser sig, at i alle tilfælde indikerer tilstedeværelsen af ​​neutrinoer, disse partikler havde altid den samme helicitet:1/2, dvs de var venstrehåndede. Dette er interessant, fordi andre stofpartikler kan have både positivt og negativt spin. Men der er ingen højrehåndede neutrinoer at se! Hvis de ikke eksisterer, hvorfor så ikke? Og hvis de gør, hvor gemmer de sig?" spørger Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

En artikel netop offentliggjort i European Physical Journal C af et internationalt hold af fysikere bringer os tættere på at besvare ovenstående spørgsmål. Forskere fra IFJ PAN, Den Europæiske Organisation for Nuklear Forskning – CERN, Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgien), Monash University (Melbourne, Australien), Technische Universität München (Tyskland) og University of Amsterdam (Holland) udførte den mest nøjagtige analyse til dato af data indsamlet i over et dusin af de mest sofistikerede eksperimenter inden for subatomær fysik, både dem af generel karakter og dem, der er direkte dedikeret til at observere neutrinoer (inklusive PIENU, PS-191, CHARME, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS).

Forskerne begrænsede sig ikke til blot at øge antallet af eksperimenter og mængden af ​​behandlede data. I deres analyse, de overvejede muligheden for hypotetiske processer foreslået af teoretikere, der kræver tilstedeværelsen af ​​højrehåndede neutrinoer. En af dem var vippemekanismen forbundet med Majorana neutrinoer.

I 1937, Ettore Majorana postulerede eksistensen af ​​en partikel af stof, der er dens egen antipartikel. En sådan partikel kunne ikke have en elektrisk ladning. Da alle stofpartikler bærer elektrisk ladning, undtagen neutrinoer, den nye partikel kan være en neutrino.

"Teorien antyder, at hvis Majorana neutrinoer eksisterer, der kan også være en vippemekanisme. Dette ville betyde, at når neutrinoer med en helicitetstilstand ikke er særlig massive, så må neutrinoer med den modsatte helicitet have meget store masser. Så, hvis vores neutrinoer, som er venstrehåndede, har meget lave masser, hvis de skulle være Majorana neutrinoer, i højrehåndsversionen skulle de være massive. Dette ville forklare, hvorfor vi ikke har set dem endnu, " siger Dr. Chrzaszcz, og tilføjer, at massive højrehåndede neutrinoer er en af ​​kandidaterne til mørkt stof.

Den seneste analyse, udføres ved hjælp af den specialiserede open source GAMBIT-pakke, tog højde for alle aktuelt tilgængelige eksperimentelle data og parameterområder leveret af forskellige teoretiske mekanismer. Talmæssigt var det ekstremt besværligt. Selve vippemekanismen betød, at beregningerne skulle bruge flydende kommatal, ikke dobbelt, men med firdobbelt præcision. Ultimativt, mængden af ​​data nåede 60 TB. Analysen skulle udføres i den hurtigste polske computerklynge Prometheus, administreret af Academic Computer Center Cyfronet fra AGH University of Science and Technology.

Resultaterne af analysen, finansieret på den polske side fra tilskud fra Foundation for Polish Science og National Agency for Academic Exchange, ikke inspirere til optimisme. Det viste sig, at trods mange eksperimenter og en enorm mængde indsamlet data, det mulige parameterrum blev kun trængt ind i ringe grad.

"Vi kan finde højrehåndede neutrinoer i eksperimenter, der lige er ved at begynde. hvis vi er uheldige og højrehåndede neutrinoer gemmer sig i de fjerneste fordybninger af parameterrummet, vi kan blive nødt til at vente op til hundrede år på deres opdagelse, " siger Dr. Chrzaszcz.

Heldigvis, der er også en skygge af håb. Et spor af et potentielt signal blev fanget i dataene, der kunne være forbundet med højrehåndede neutrinoer. På dette stadium er det meget svagt, og i sidste ende kan det vise sig blot at være et statistisk udsving. Men hvad ville der ske, hvis det ikke var det?

"I dette tilfælde, alt tyder på, at det allerede ville være muligt at observere højrehåndede neutrinoer i efterfølgeren til LHC, Future Circular Collider. Imidlertid, FCC har en vis ulempe:det ville begynde at fungere omkring 20 år efter dets godkendelse, hvilket i bedste fald først kan finde sted næste år. Hvis det ikke gør, vi bliver nødt til at væbne os med en stor mængde tålmodighed, før vi ser højrehåndede neutrinoer, " slutter Dr. Chrzaszcz.