Fysikere annoncerer de første resultater fra Daya Bays endelige datasæt

I løbet af næsten ni år fangede Daya Bay Reactor Neutrino Experiment en hidtil uset fem en halv million interaktioner fra subatomære partikler kaldet neutrinoer. Nu har det internationale hold af fysikere fra Daya Bay-samarbejdet rapporteret det første resultat fra eksperimentets fulde datasæt - den hidtil mest præcise måling af theta13, en nøgleparameter til at forstå, hvordan neutrinoer ændrer deres "smag". Resultatet, der blev annonceret i dag på Neutrino 2022-konferencen i Seoul, Sydkorea, vil hjælpe fysikere med at udforske nogle af de største mysterier omkring stoffets natur og universet.

Neutrinoer er subatomære partikler, der både er berømt undvigende og enormt rigelige. De bombarderer uendeligt hver tomme af Jordens overflade med næsten lysets hastighed, men interagerer sjældent med stof. De kan rejse gennem et lysårs bly uden nogensinde at forstyrre et eneste atom.

En af de definerende egenskaber ved disse spøgelseslignende partikler er deres evne til at svinge mellem tre forskellige "smag":myonneutrino, tau-neutrino og elektronneutrino. Daya Bay Reactor Neutrino Experiment blev designet til at undersøge de egenskaber, der dikterer sandsynligheden for disse oscillationer, eller hvad der er kendt som blandingsvinkler og masseopdelinger.

Kun én af de tre blandingsvinkler forblev ukendt på det tidspunkt, hvor Daya Bay blev designet i 2007:theta13. Så Daya Bay blev bygget til at måle theta13* med højere følsomhed end noget andet eksperiment.

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, der opererer i Guangdong, Kina, består af store, cylindriske partikeldetektorer nedsænket i vandbassiner i tre underjordiske huler. De otte detektorer opfanger lyssignaler genereret af antineutrinoer, der strømmer fra nærliggende atomkraftværker. Antineutrinoer er neutrinoers antipartikler, og de produceres i overflod af atomreaktorer. Daya Bay blev bygget gennem en international indsats og et første af sin slags partnerskab til et stort fysikprojekt mellem Kina og USA. Det Beijing-baserede Institut for Højenergifysik (IHEP) under det kinesiske videnskabsakademi leder Kinas rolle i samarbejdet, mens det amerikanske energiministeriums (DOE) Lawrence Berkeley National Laboratory og Brookhaven National Laboratory leder USA's deltagelse sammen.

For at bestemme værdien af ​​theta13 opdagede Daya Bay-forskere neutrinoer med en specifik smag - i dette tilfælde elektron-antineutrinoer - i hver af de underjordiske huler. To huler er i nærheden af ​​atomreaktorerne, og den tredje hule er længere væk, hvilket giver rigelig afstand for antineutrinoerne til at oscillere. Ved at sammenligne antallet af elektron-antineutrinoer, der blev opfanget af nær- og fjerndetektorerne, beregnede fysikere, hvor mange ændrede smagsvarianter og dermed værdien af ​​theta13.

Daya Bay-fysikere foretog verdens første afgørende måling af theta13 i 2012 og forbedrede efterfølgende målingens præcision, efterhånden som eksperimentet fortsatte med at tage data. Nu, efter ni års drift og afslutningen af ​​dataindsamlingen i december 2020, fremragende detektorydelse og dedikeret dataanalyse, har Daya Bay langt overgået forventningerne. Ved at arbejde med det komplette datasæt har fysikere nu målt værdien af ​​theta13 med en præcision, der er to en halv gange større end eksperimentets designmål. Intet andet eksisterende eller planlagt eksperiment forventes at nå et så udsøgt præcisionsniveau.

"Vi havde flere analysehold, der omhyggeligt undersøgte hele datasættet, omhyggeligt under hensyntagen til udviklingen af ​​detektorens ydeevne i løbet af de ni års drift," sagde Daya Bays medtalsmand Jun Cao fra IHEP. "Holdene udnyttede det store datasæt ikke kun til at forfine udvælgelsen af ​​antineutrino-hændelser, men også til at forbedre bestemmelsen af ​​baggrunde. Denne dedikerede indsats gjorde det muligt for os at nå et uovertruffent præcisionsniveau."

Præcisionsmålingen af ​​theta13 vil gøre fysikere i stand til lettere at måle andre parametre inden for neutrinofysik, samt udvikle mere nøjagtige modeller af subatomære partikler og hvordan de interagerer.

Ved at undersøge antineutrinoers egenskaber og interaktioner kan fysikere få indsigt i ubalancen mellem stof og antistof i universet. Fysikere mener, at stof og antistof blev skabt i lige store mængder på tidspunktet for Big Bang. Men hvis det var tilfældet, burde disse to modsætninger have udslettet og kun efterladt lys. En vis forskel mellem de to må have vippet balancen for at forklare overvægten af ​​stof (og manglen på antistof) i universet i dag.

"Vi forventer, at der kan være en vis forskel mellem neutrinoer og antineutrinoer," sagde Berkeley-fysiker og Daya Bay-medtalsmand Kam-Biu Luk. "Vi har aldrig opdaget forskelle mellem partikler og antipartikler for leptoner, den type partikler, der inkluderer neutrinoer. Vi har kun opdaget forskelle mellem partikler og antipartikler for kvarker. Men de forskelle, vi ser med kvarkerne, er ikke nok til at forklare hvorfor der er mere stof end antistof i universet. Det er muligt, at neutrinoer kan være den rygende pistol."

Den seneste analyse af Daya Bays endelige datasæt gav også fysikere en præcis måling af masseopdelingen. Denne egenskab dikterer frekvensen af ​​neutrinoscillationer.

"Målingen af ​​masseopdeling var ikke et af Daya Bays oprindelige designmål, men det blev tilgængeligt takket være den relativt store værdi af theta13," sagde Luk. "Vi målte masseopdelingen til 2,3 % med det endelige Daya Bay-datasæt, en forbedring i forhold til 2,8 % præcision af den tidligere Daya Bay-måling."

Fremover forventer det internationale Daya Bay-samarbejde at rapportere yderligere resultater fra det endelige datasæt, herunder opdateringer til tidligere målinger.

Næste generation af neutrinoeksperimenter, såsom Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), vil udnytte Daya Bay-resultaterne til præcist at måle og sammenligne egenskaber af neutrinoer og antineutrinoer. I øjeblikket under konstruktion vil DUNE give fysikere verdens mest intense neutrinostråle, underjordiske detektorer adskilt med 800 miles og mulighed for at studere neutrinoers adfærd som aldrig før.

"Som et af mange fysikmål forventer DUNE i sidste ende at måle theta13 næsten lige så præcist som Daya Bay," sagde Brookhaven eksperimentel fysiker og Daya Bay-samarbejdspartner Elizabeth Worcester. "Dette er spændende, fordi vi så vil have præcise theta13-målinger fra forskellige oscillationskanaler, som strengt vil teste tre-neutrino-modellen. Indtil DUNE når den høje præcision, kan vi bruge Daya Bays præcise theta13-måling som en begrænsning for at muliggøre søgningen efter forskelle mellem neutrino- og antineutrinoegenskaber."

Forskere vil også udnytte de store theta13-værdier og reaktorneutrinoer til at bestemme, hvilken af ​​de tre neutrinoer der er den letteste. "Den præcise theta13-måling af Daya Bay forbedrer massebestillingsfølsomheden af ​​Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), som vil færdiggøre byggeriet i Kina næste år," sagde Yifang Wang, JUNO-talsmand og IHEP-direktør. "Ydermere vil JUNO opnå sub-procent niveaupræcision på masseopdelingen målt af Daya Bay om flere år." + Udforsk yderligere

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