Forskere siger farvel til Daya Bay-stedet, fortsæt med den endelige dataanalyse

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment-samarbejdet - som foretog en præcis måling af en vigtig neutrino-egenskab for otte år siden, sætter scenen for en ny runde af eksperimenter og opdagelser om disse svære at studere partikler - er færdig med at tage data. Selvom eksperimentet formelt lukkes ned, samarbejdet vil fortsætte med at analysere dets komplette datasæt for at forbedre præcisionen af ​​resultater baseret på tidligere målinger.

Eksperimentet indsamlede nok data inden for de første 55 dages drift til at annoncere en vigtig opdagelse i begyndelsen af ​​marts 2012. For at fejre denne succes og andre, der fulgte, Daya Bay-samarbejdet og videnskabsbureauets embedsmænd vil deltage i en ceremoni den 12. december, for at markere afslutningen af ​​operationer på stedet (se begivenhedsdetaljer nedenfor).

Internationalt partnerskab muliggør eksperimentets succeser

Fungerer i et hulefyldt underjordisk rum indeholdende en række store, tromle-lignende partikeldetektorer nedsænket i store vandbassiner i Guangdong, Kina, eksperimentet blev bygget gennem en international indsats, der indeholdt et første af sin slags ligeværdigt partnerskab i et stort fysikprojekt mellem USA og Kina. Det Beijing-baserede Institut for Højenergifysik (IHEP) under det kinesiske videnskabsakademi leder Kinas rolle i samarbejdet, mens det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og Brookhaven National Laboratory (Brookhaven Lab) sammen leder USA's deltagelse.

"Vi er så glade for at se succesen med eksperimentet, som har gjort vigtige videnskabelige opdagelser, " sagde Yi-Fang Wang, en tidligere talsmand for Daya Bay-samarbejdet, som nu er direktør for IHEP. "Samarbejdet er virkelig internationalt, og de erfaringer, vi har lært her, er uvurderlige. Vi ser frem til andre samarbejder i fremtiden."

IHEP overvågede konstruktionen af ​​forsøgsstedet og halvdelen af ​​Daya Bay-detektorerne, med det amerikanske samarbejde, der tegner sig for den anden halvdel. Der var også betydelige bidrag fra videnskabsmænd og institutioner i Taiwan og Hong Kong, og i Chile, Tjekkiet, og Rusland.

"Dette har været et enormt vellykket og vigtigt eksperiment, " sagde Kam-Biu Luk, den amerikanske talsmand for Daya Bay-eksperimentet og også en fakultets seniorforsker ved Berkeley Lab og en UC Berkeley fysikprofessor. "Nøjagtighedsmålingerne og opdagelserne ved Daya Bay blev muliggjort af det enestående samarbejde mellem USA og Kina og alle vores internationale partnere."

Daya Bays otte detektorer er designet til at opfange lyssignaler i de glitrende væsker, de indeholder. Disse signaler genereres af interaktioner med antineutrinoer, der strømmer fra seks reaktorer på de nærliggende Daya Bay og Ling Ao atomkraftværker.

Atomreaktorer producerer et stort antal antineutrinoer via kernefissionsprocessen, og de gør det på en præcis kontrolleret måde, hvilket gør reaktorer til et glimrende sted at udføre neutrinoeksperimenter og indsamle højpræcisionsmålinger.

Antineutrinoer er antipartikler af neutrinoer - rigelige subatomære partikler, der passerer gennem det meste stof uafbrudt, så de er svære at opdage. I løbet af de sidste syv årtier, videnskabsmænd har gjort store fremskridt med at designe detektorer til at opfange de undvigende signaler fra disse "spøgelseslignende" partikler.

"Daya Bay-detektorerne fungerer bemærkelsesværdigt godt, overgår vores forventninger, " sagde Daya Bay US Chief Scientist Steve Kettell fra Brookhaven Lab. "Denne succes er central for vores opdagelse."

På jagt efter theta 13

Placeret i tre underjordiske haller inden for en kilometer fra de seks reaktorer, Daya Bay-eksperimentet blev designet til at måle en egenskab relateret til partiklernes transformationer, eller svingninger, mellem tre forskellige typer, kendt som "smag":elektron, muon, og tau. Daya Bay var det første eksperiment, der med succes målte, med sikkerhed, en "blandingsvinkel" kaldet theta 13. Denne blandingsvinkel definerer den hastighed, hvormed neutrinoer omdannes til de tre smagsstoffer. Siden den første måling i 2012, præcisionen i Daya Bays theta 13-måling er blevet seksdoblet.

For at bestemme theta 13, videnskabsmænd målte, hvor mange neutrinoer af en bestemt smag - i dette tilfælde, elektron antineutrinoer - blev produceret af de nærliggende reaktorer. Ud fra det tal kunne de bestemme, hvor mange elektron-antineutrinoer de skulle forvente at måle ved hjælp af Daya Bays store detektorer. Derefter, de sammenlignede estimatet med det faktiske, målt antal.

Theta 13 målingen, og to andre blandingsvinkler målt ved tidligere eksperimenter, hjælpe os med at forstå den rolle neutrinoer spillede i udviklingen af ​​vores univers. Hvis videnskabsmænd observerer en forskel i visse egenskaber af neutrinoer vs. antineutrinoer, det kunne hjælpe vores forståelse af overskuddet af stof vs. antistof i universet.

Daya Bay-forskere er nu i gang med en analyse af dataene fra eksperimentets hele ni års drift. Denne analyse vil muliggøre forbedrede målinger af neutrinoegenskaber, inklusive en ny præcision på theta 13, der næppe vil blive overgået i årtier fremover.

Uventet bonus

"Den videnskabelige produktivitet i Daya Bay er gået langt ud over vores fantasi, " sagde Daya Bays medtalsmand Jun Cao, af IHEP. "Udover at fastlægge værdien af ​​theta 13, et overraskende træk dukkede op i det målte reaktor antineutrino-spektrum med Daya Bays højkvalitetsdata."

Et lokalt overskud af antineutrinoer – omkring 10 % over teoretiske forventninger ved en energi på omkring 5 millioner elektronvolt (5 MeV) – viser sig tydeligt, langt ud over usikkerheden. Oprindelsen af ​​denne uoverensstemmelse er stadig uklar og kræver yderligere undersøgelser.

I mellemtiden Bestemmelse af antineutrino-udbyttet fra Daya Bay-eksperimentet fandt også en sandsynlig mistænkt for at forklare en såkaldt "reaktor antineutrino-anomali" - målinger af færre antineutrinoer, end man havde forventet på stederne for mange forskellige atomreaktorer. Mens en mulighed for denne anomali var, at nogle antineutrinoer havde forvandlet sig til en hypotese om en fjerde type neutrino kaldet en steril neutrino, Daya Bay-forskere fandt, at det højst sandsynligt skyldtes ufuldstændig modellering af den forudsagte hastighed af antineutrino-produktion for en komponent af atomreaktorbrændstoffet.

Derudover hold af videnskabsmænd fra to store eksperimenter, der studerer neutrinoscillationer - Daya Bay-eksperimentet og MINOS+-eksperimentet ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) - gik sammen om at producere en anden analyse, der stort set udelukkede enhver mulighed for sterile neutrinoer i deres data.

Implikationer af målingerne

"Blandingsvinkel theta 13, som mange videnskabsmænd havde mistanke om ville være nul, blev heldigvis fundet at være meget større, end vi forventede, da vi planlagde eksperimentet, " sagde Luk, hvilket gjorde det muligt for videnskabsmænd at udtrække oscillationsfrekvensen præcist og bekræfte teorien om neutrinoscillation. Dette lover godt for andre aktive og fremtidige neutrinoeksperimenter, der vil forsøge at måle rækkefølgen af ​​masserne af de forskellige neutrinoer, for eksempel.

Det kunne også gavne eksperimenter, der udforsker neutrinoers mulige relevans for universets stof-antistof-ubalance. Fysikere mener, at neutrinoer kan have spillet en rolle i denne ubalance gennem brud på en grundlæggende fysiklov kendt som charge-parity (CP) overtrædelse. Denne krænkelse indebærer, at en partikel og dens antipartikel opfører sig forskelligt.

Daya Bays theta 13-måling er den hidtil mest præcise måling blandt de tre blandingsvinkelmålinger relateret til neutrinoscillationer. Daya Bay-samarbejdet blev anerkendt for succesen med præcist at måle theta 13 med tildelingen af ​​den prestigefyldte 2016 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

"Nu hvor vi ved, at theta 13 ikke er nul, vi har udviklet nye måder at studere neutrinomassen på. Det giver os også mulighed for at søge efter CP-overtrædelse i nuværende og fremtidige eksperimenter, " sagde Kettell.

Eksisterende eksperimenter med neutrinoscillation, såsom T2K i Japan og NOvA på Fermilab, drage fordel af denne måling, han bemærkede, ligesom Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), et næste generations eksperiment, der snart vil begynde at tage data i Kina, projektet Long Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF/DUNE) under opførelse i Fermilab, og det kommende Hyper-Kamiokande-eksperiment i Japan.