Søger efter sub-eV sterile neutrinoer ved hjælp af to meget følsomme detektorer

Standardmodellen for partikelfysik tegner sig kun for 20% af stoffet i universet. Fysikere har teoretiseret, at de resterende 80% består af såkaldt mørkt stof, som består af partikler, der ikke udsender, absorberer eller reflekterer lys og kan derfor ikke observeres direkte ved brug af eksisterende instrumenter.

Eksistensen af ​​mørkt stof udledes indirekte af astronomiske observationer af dets gravitationsvirkninger. Indtil nu, forskere har ikke været i stand til at observere denne mystiske type stof direkte, men de har introduceret en række teoretiske modeller, der afgrænser mulige 'spor', som mørkt stof kan efterlade, når det interagerer med kendte standardmodelpartikler gennem ukendte kræfter, også omtalt som mørke kræfter.

Ifølge nogle af disse teoretiske modeller, mørkt stof kunne observeres indirekte ved at detektere virkningerne af dets ekstremt sjældne interaktioner med normalt stof. Nylige astronomiske data indsamlet af Planck-teleskopet, opsendt i rummet for over ti år siden og drevet af den europæiske rumfartsorganisation (ESA), antydet eksistensen af ​​en inaktiv (dvs. steril) type neutrino med en masse i sub-eV-skalaen, som kunne være lovende mørkt stof-kandidater.

RENO (Reactor Experiment for Neutrino Oscillation)-samarbejdet, en gruppe forskere ved forskellige institutter i Sydkorea, for nylig udført en søgen efter lys, sub-eV sterile neutrinoscillationer, som var baseret på data indsamlet af to identiske detektorer placeret i Sydkorea i løbet af 2200 dage. Mens de ikke var i stand til at detektere disse svingninger, deres resultater, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne informere fremtidige søgninger efter sterile neutrinoer.

"Sterile neutrinoer, hvis de findes, kan blandes med aktive neutrinoer og dermed efterlade observerbare effekter i data indsamlet i reaktorneutrinoeksperimenter, "Soo-Bong Kim, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Eksperimenterne med RENO i Korea og Daya Bay i Kina, som bruger flere og identiske detektorer på de forskellige steder, har følsomheder høj nok til at teste Planck-resultaterne."

Indtil nu, eksperimentelle bestræbelser rettet mod at detektere antydninger af sterile neutrino-interaktioner i sub-eV-skala var ude af stand til at opfange signaler fra disse undvigende partikler. Tidligere fund ser således ud til delvist at udelukke gyldigheden af ​​den nylige hypotese baseret på data indsamlet af Planck-teleskopet. For fuldt ud at bekræfte eller afkræfte denne hypotese, fysikere skal først udføre søgninger, der dækker det resterende parameterrum, indsamle meget præcise mål.

I deres undersøgelse, Kim og hans kolleger analyserede en enorm mængde data indsamlet af to identiske detektorer placeret ved ~300m og ~1400m fra seks reaktorer, der er placeret ved Hanbit Nuclear Power Plant, i Korea. Disse data blev akkumuleret i løbet af otte år, som en del af RENO-eksperimentet. Hovedformålet med RENO-eksperimentet er at måle eller sætte en grænse for den såkaldte neutrino-blandingsmatrixparameter θ ¹³ , som er ansvarlig for de svingninger, der ville opstå ved at blande forskellige neutrinosmage.

"Den store dataprøve giver os mulighed for at reducere usikkerheden relateret til de statistiske udsving, og vores to identiske detektoropsætninger er nyttige til væsentligt at reducere usikkerheder forbundet med målesystemerne og -metoderne, " Kim forklarede. "De forbedrede væsentligt nøjagtigheden af ​​neutrino energi-spektrum måling. Blandingen med uobserverbare sterile neutrinoer resulterer i forsvinden af ​​aktive neutrinoer i dataene, så vi forsøgte at undersøge de sterile neutrinoeffekter ved at sammenligne spektralformerne fra de to detektorer."

Samlet set, det nylige arbejde af Kim og hans kolleger bekræfter muligheden for at udføre søgninger efter mørkt stof ved hjælp af menneskeskabte instrumenter, der kan måle oscillationer med høje præcisionsniveauer. Indtil nu, forskerne var ikke i stand til at opdage nogen væsentlige træk, der kunne være resultatet af sterile neutrino-interaktioner. Derfor, deres resultater tyder på, at hvis disse partikler eksisterede, deres interaktioner med andre partikler ville være ekstremt svage.

"Resultaterne indsamlet af os og af Daya Bay Reactor Neutrino Experiment giver et køreplan for fremtidige præcisionsmålinger med det formål at detektere sterile neutrino-interaktioner, " sagde Kim. "Vi planlægger nu at fortsætte den sterile neutrinosøgning i sub-eV skala. Ud over, vi rapporterede for nylig resultaterne af en steril neutrino-søgning i eV-skala, der viste en interessant indikation af blanding med steril neutrino i de observerede neutrinospektre. Vi planlægger at fortsætte disse bestræbelser ved at bruge RENO-reaktorneutrinokomplekset."

© 2020 Science X Network