Et hold af internationale fysikere går sammen i jagten på sterile neutrinoer

En international gruppe på mere end 260 videnskabsmænd har lavet en af ​​de mest stringente tests for eksistensen af ​​sterile neutrinoer til dato. Forskerne fra to store internationale eksperimentelle grupper, MINOS+ ved Department of Energy's Fermilab og Daya Bay i Kina, rapporterer resultater i Fysiske anmeldelsesbreve udelukke svingninger til en steril neutrino som den primære forklaring på uventede observationer fra nylige forsøg.

MINOS+ studerer forsvinden af ​​myon-neutrinoer produceret af en Fermilab-accelerator og forplanter sig til en underjordisk detektor i det nordlige Minnesota 735 kilometer væk. Daya Bay bruger otte identisk designede detektorer til præcist at måle, hvordan elektronneutrinoer udsendt af seks atomreaktorer i Kina "forsvinder", efterhånden som de omdannes til andre typer.

Neutrinoer er elementarpartikler, som som elektroner, kan ikke opdeles i mindre komponenter. De er ulig enhver anden partikel, der vides at eksistere, idet de er i stand til at trænge igennem ekstremt store mængder stof uden at stoppe. Hvis en neutrino skydes fra Jordens overflade mod dens centrum, der er meget stor sandsynlighed for, at den kommer intakt frem på den anden side.

Der er tre kendte typer neutrinoer:elektron, muon og tau. For omkring to årtier siden, forskere fandt ud af, at de kan forvandle sig fra en type til en anden gennem et fænomen kaldet "neutrinooscillation, " en opdagelse, der blev tildelt 2015 Nobelprisen i fysik. For eksempel, en neutrino skabt som en elektrontype, der rejser gennem rummet, kan senere identificeres som en myontype eller tau-type.

Selvom langt størstedelen af ​​akkumulerede data til dato kan forklares med tre kendte neutrinoer, nogle få eksperimenter har rapporteret unormale observationer, der tyder på eksistensen af ​​yderligere typer. Blandt disse er LSND -eksperimentet på Los Alamos National Laboratory og MiniBooNE -eksperimentet på Fermilab. Begge eksponerede deres detektorer for en stråle af myon-neutrinoer og rapporterede et overskud af elektronneutrino-kandidathændelser ud over, hvad der kunne forventes fra oscillationer, der kun involverede de tre kendte typer neutrino, men muligvis forenelig, hvis en ny type neutrino - en steril neutrino - var involveret. Sterile neutrinoer ville ikke være direkte sporbare, men deres svingning med de tre kendte neutrinoer ville give en unik vej til at etablere deres eksistens.

Imidlertid, de nye resultater fra Daya Bay og MINOS+ sætter spørgsmålstegn ved denne mulighed som en forklaring på LSND og MiniBooNE resultater.

"Satserne er høje; hvis denne fristende fortolkning af de unormale resultater blev bekræftet, en revolution i fysikken ville følge. Sterile neutrinoer ville blive de første partikler, der blev fundet uden for standardmodellen, vores nuværende bedste teori om elementarpartikler og deres interaktioner. De kan også være en kandidat for mørkt stof og kan have vigtige konsekvenser i kosmologi, "sagde Daya Bay-videnskabsmanden Pedro Ochoa-Ricoux, lektor i fysik og astronomi ved UC Irvine.

"Dette tætte samarbejde mellem MINOS+ og Daya Bay-forskere muliggjorde kombinationen af ​​to komplementære verdensledende begrænsninger på myon-neutrinoer og elektron-antineutrinoer, der forsvandt til sterile neutrinoer, " sagde Alexandre Sousa, lektor i fysik ved University of Cincinnati og en af ​​MINOS+-forskerne, der arbejdede på analysen. Forsvinden af ​​begge partikler skal ske, hvis elektron(anti)neutrinoer skal optræde i en myon(anti)neutrinokilde via sterile oscillationer med en enkelt steril neutrino. "Så det kombinerede resultat er en meget kraftig sonde af de sterile neutrino-hints, vi har til dato."

Neutrino-forsvindingsmålingerne fra MINOS+ og Daya Bay er nu så præcise, at de i det væsentlige udelukker at forklare de kombinerede anomale observationer fra LSND, MiniBooNE og andre eksperimenter udelukkende gennem sterile neutrinoscillationer, ifølge Ochoa-Ricoux.

"Vi ville alle have været absolut begejstrede for at finde beviser for sterile neutrinoer, men de data, vi har indsamlet indtil videre, understøtter ikke nogen form for oscillation med disse eksotiske partikler, " han sagde.

Den kombinerede analyse rapporteret af Daya Bay og MINOS+ udelukkede ikke kun den specifikke form for steril neutrino-oscillation, der ville forklare de unormale resultater, men ledte også efter andre sterile neutrino-signaturer med aldrig-før-opnået følsomhed, hvilket giver nogle af de mest stringente grænser for eksistensen af ​​disse undvigende partikler til dato.

"De to eksperimenter bruger flere detektorer med velforståede usikkerheder og har indsamlet et hidtil uset stort antal hændelser. Krav om overensstemmelse mellem datasætene for de to eksperimenter giver en meget streng test af steril neutrino-eksistens, "sagde MINOS+ talsmænd, Jenny Thomas, professor ved University College London, og Karol Lang professor ved University of Texas i Austin.

"Denne fælles indsats tackler meget effektivt et grundlæggende problem inden for fysik, " sagde Daya Bay-talspersoner Kam-Biu Luk fra Lawrence Berkeley National Laboratory og UC Berkeley og Jun Cao fra Institute of High Energy Physics i Beijing. "Selvom der stadig er plads til, at en steril neutrino lurer i skyggerne, vi har reduceret det tilgængelige skjulrum betydeligt. "