Datele reactorului sugerează existența celui de-al patrulea neutrin

În tunelurile adânci în interiorul unui munte de granit din Daya Bay, o instalație de reactor nuclear la aproximativ 55 de kilometri de Hong Kong, detectoarele sensibile sugerează existența unei noi forme de neutrino, una dintre cele mai fantomatice și mai abundente particule elementare din natură.

Neutrinii, particule neutre din punct de vedere electric care simt doar gravitația și forța nucleară slabă, interacționează atât de slab cu materia, încât 100 de trilioane de fermoar trec nestingheriți prin corpul tău în fiecare secundă. Ele vin în trei tipuri cunoscute: electroni, muoni și tau. Rezultatele din Daya Bay sugerează posibilitatea existenței unui al patrulea tip de neutrin, chiar mai fantomatic – unul mai mult decât permite teoria standard a fizicienilor.

Numit neutrinul steril, această particulă fantomă nu ar purta nicio sarcină și ar fi impermeabilă la toate forțele, altele decât gravitația. Numai atunci când își dezvăluie mantia de invizibilitate prin transformarea într-un electron, muon sau neutrin tau a putut fi detectat neutrinul steril. Dovezile definitive „ar deschide o nouă cale de cercetare”, spune fizicianul particulelor Stephen Parke de la Laboratorul Național de Accelerator Fermi din Batavia, Ill.

Posibilele dovezi ale particulei sterile provin dintr-o nepotrivire între teorie și experiment. Dacă un reactor nuclear produce un fascicul de un singur tip de neutrini, teoria prezice că unii ar trebui să-și schimbe identitatea pe măsură ce călătoresc la un detector îndepărtat. (SN Online: 10/6/15). Analizând peste 300.000 de antineutrini de electroni (omologul antimateriei al neutrinului electronic) colectați de la reactoarele nucleare Daya Bay pe parcursul a 217 zile de funcționare, cercetătorii au descoperit cu 6% mai puține particule decât cele prezise de modelul standard de fizică a particulelor. Fizicianul de particule Kam-Biu Luk de la Universitatea din California, Berkeley și Laboratorul Național Lawrence Berkeley și colegii au raportat concluziile în 12 februarie. Scrisori de revizuire fizică.

O explicație pentru deficit este că unii dintre antineutrinii electronici s-au transformat într-un neutrin steril nedetectabil, ușor, cu aproximativ o milioneme din masa unui electron, spune Luk. Alte studii asupra reactoarelor nucleare, inclusiv un experiment la reactorul Bugey din Saint-Vulbas, Franța, au observat deficite similare de electroni antineutrini, notează el. Studiile cu fascicule de muoni antineutrini la unii acceleratori de particule au observat un exces de antineutrini de electroni, care ar putea fi atribuit unui alt tip de delectare de către neutrinii sterili nevăzuți.

Rezultatul Daya Bay oferă cea mai precisă măsură de până acum a energiilor antineutrinilor electronici la un reactor nuclear. Chiar și așa, semnificația statistică a deficitului nu este suficient de mare pentru a evalua descoperirea unei descoperiri. Rezultatul este o constatare de „trei sigma”, ceea ce înseamnă că există o probabilitate de aproximativ 0,3 la sută ca o astfel de lipsă de antineutrini electronici să fi avut loc dacă nu ar exista neutrini sterili. Fizicienii doresc, în general, ca o discrepanță să aibă o semnificație de cinci sigma, sau o șansă de 0,00003% să fie o întâmplare, înainte de a o eticheta drept descoperire.

Pe lângă indiciu de neutrini sterili, rezultatele Daya Bay dezvăluie o a doua caracteristică ciudată – un exces de antineutrini de electroni (comparativ cu previziunile teoretice) la o energie de aproximativ 5 milioane de electroni volți. Acesta ar putea fi un semn al unei fizici complet noi care așteaptă descoperirea (sau pur și simplu că oamenii de știință nu au o înțelegere suficient de detaliată a producției reactoarelor nucleare). O înțelegere revizuită a acestei caracteristici ar putea chiar să elimine necesitatea unui neutrin steril ușor pentru a explica deficitul general de antineutrini electronici.

Dar dacă în cele din urmă se găsesc dovezi definitive pentru un neutrin steril ușor, „ar întoarce comunitatea teoriei pe cap”, spune Parke și ar putea avea un impact mai mare decât descoperirea bosonului Higgs, descoperirea câștigătoare a Nobelului care explică de ce. particulele elementare au masă.

„Găsirea unui neutrin steril este extrem de importantă, deoarece ar fi prima descoperire a unei particule care nu poate fi găzduită în cadrul așa-numitului model standard”, spune fizicianul particulelor Carlo Giunti de la Universitatea din Torino din Italia.

Unul dintre cele mai timpurii experimente care a sugerat prezența neutrinilor sterili a fost Detectorul de neutrini cu scintilator lichid, care a funcționat la Laboratorul Național Los Alamos din New Mexico între 1993 și 1998. LSND a descoperit că antineutrinii de muoni s-au transformat în 167 de tone de ulei mineral. în antineutrini electronici într-un mod care părea să necesite un al patrulea tip de neutrini pentru a exista. Un experiment de urmărire la Fermilab, numit MiniBooNE, a avut loc între 2002 și 2012, cu rezultate echivoce. Un alt experiment Fermilab, MicroBooNE, a început să funcționeze în octombrie anul trecut. MicroBooNE este primul dintre cele trei detectoare de argon lichid, distanțate la distanțe diferite lângă sursele de neutrini de la Fermilab, care vor urmări cu o precizie fără precedent transformarea neutrinilor de la un tip la altul.

Situat la 470 de metri de Booster Neutrino Beamline a Fermilab, MicroBooNE este mijlocul trio-ului, căruia i se va alătura în 2018 ICARUS, cel mai îndepărtat detector, la o distanță de aproximativ 600 de metri de linia fasciculului, și Short-Baseline Near Detector, plasat doar 100 de metri de sursa. Primele rezultate de la trio sunt așteptate în 2021, spune fizicianul experimental de particule Peter Wilson de la Fermilab.

Detectoarele vor servi, de asemenea, ca prototip pentru Deep Underground Neutrino Experiment, un experiment la scară largă care va trimite neutrini generați de Fermilab într-o călătorie de 1.300 de kilometri la Sanford Underground Research Facility de lângă Lead, SD.

Povestea continuă după diagramă

Călătorie incredibilă

În experimentul Deep Underground Neutrino, programat să înceapă în următorul deceniu, neutrinii (ν) produși la Fermilab din Batavia, Illinois, vor călători 1.300 de kilometri până la Sanford Underground Research Facility de lângă Lead, SD. Acolo, detectoarele subterane vor înregistra cum aceștia particulele fantomatice s-au transformat de la un tip la altul.

Între timp, colaborarea Daya Bay a făcut echipă cu un alt experiment Fermilab, Căutarea oscilației neutrino a injectorului principal, pentru a continua să caute semne ale neutrinilor sterili. Deși datele din experimentele cu accelerator și reactor nu ne oferă încă o imagine consistentă, „vom ști în curând mai bine dacă un neutrin steril ușor așteaptă să ne dezvăluim”, spune Luk.

Dacă există un neutrin steril ușor, acesta ar putea avea frați de aproximativ 1.000 de ori mai grei. Aceste particule ar putea contribui la materia întunecată încă neidentificată, lipiciul gravitațional invizibil care împiedică galaxiile să zboare și modelează structura pe scară largă a universului. Amprentele acestei particule vor fi căutate printr-un experiment numit KATRIN, care examinează descompunerea radioactivă a tritiului, un izotop greu al hidrogenului, la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din Germania.

Neutrinii sterili, care sunt chiar mai masivi, de peste un trilion de ori mai grei decât electronul, ar putea explica un mister cosmic din ce în ce mai mare – nepotrivirea dintre cantitățile de materie și antimaterie din cosmos. Deținând o energie de cel puțin un milion de ori mai mare decât poate fi produsă la Large Hadron Collider, cel mai puternic accelerator de particule din lume, un neutrin steril supergreu din universul timpuriu ar fi făcut o mică parte mai multă materie decât antimaterie. De-a lungul timpului, micul dezechilibru, reprodus în nenumărate reacții nucleare, ar fi generat universul dominat de materie văzut astăzi. (SN: 26.1.13, p. 18).

„Pentru cosmologie, [lightweight] Neutrinul steril despre care vorbim nu poate rezolva problema asimetriei materie-antimaterie, dar este probabil ca neutrinul steril să fie conectat cu alte particule noi care pot rezolva problema”, spune Giunti.

Oamenii de știință văd un alt beneficiu, mai practic, pentru studierea neutrinilor. Înregistrând producția de antineutrini a reactoarelor nucleare, detectoarele pot discerne cantitățile relative de plutoniu și uraniu, materii prime pentru fabricarea armelor nucleare. Gram pentru gram, plutoniul fisionat și uraniul au amprente distinctive atât în ​​ceea ce privește energia, cât și rata de antineutrini pe care îi produc, spune fizicianul Adam Bernstein de la Laboratorul Național Lawrence Livermore din California. Monitorizarea de aproape a reactoarelor, de la o distanță de 10 până la 500 de metri, a fost deja demonstrată; sunt posibile detectoare capabile să monitorizeze activitatea armelor de la câteva sute de kilometri distanță, dar vor necesita cercetări și finanțare suplimentare, spune Bernstein.

Nota editorului: această poveste a fost actualizată la 26 februarie 2016, pentru a corecta locația detectorului ICARUS planificat de Fermilab.