Deeltjestekens gaan een tien jaar oud mysterie oplossen dat verzwakt is door nieuwe gegevens


Een experiment in Frankrijk heeft een zware – maar verre van fatale – klap toegebracht aan de zoektocht naar een mysterieus kosmisch deeltje dat het steriele neutrino wordt genoemd.

De ontdekking van deze deeltjes is belangrijk voor wetenschappers om een ​​tien jaar oud mysterie te verklaren, met implicaties voor de structuur van het universum en de wetten van de natuurkunde. Sommige gezegd steriele neutrino’s kunnen ook donkere materiedeeltjes zijn.

Neutrino’s zijn deeltjes die zwak interageren met de zwaartekracht en met een kracht die betrokken is bij radioactief verval, de zwakke kracht. Ze werden ontdekt in 1956. Dit zijn de overvloediger deeltjes met massa in het heelal, in grote hoeveelheden geproduceerd in de kernen van sterren.

De antimaterie tegenhanger van een neutrino is de antineutrino. Antineutrino’s worden onder andere geproduceerd tijdens het radioactieve verval van kernsplijtingsproducten. Kernreactoren zijn daarom goede plekken om ze te bestuderen.

Reactor antineutrino anomalie

Van henstudeert meldde in 2011 dat er ongeveer 6% minder antineutrino’s werden geproduceerd in verschillende reactoren dan verwacht. De studies maakten gebruik van archiefgegevens van reactoren tot de jaren 80. Natuurkundigen noemden dit de reactor-antineutrino-anomalie (RAA).

Neutrino’s (en antineutrino’s) zijn er in drie soorten: elektron-, muon- en tau-neutrino’s. Bij het reizen door de ruimte kan elk type met een bepaalde snelheid transformeren of “oscilleren” in een ander type voorspeld door theorie. Wanneer twee typen in elkaar kunnen oscilleren, zeggen natuurkundigen dat ze kunnen “vermengen”.

Een van de verklaringen van de RAA was dat de antineutrino’s oscilleerden in een vierde tot nu toe onbekend type: de steriele neutrino. Het werd “steriel” genoemd omdat verwacht werd dat het geen interactie zou hebben met de zwakke kracht, alleen met de zwaartekracht.

Maar op 11 januari meldde het STEREO-experiment, gehuisvest in de onderzoeksreactor van het Institut Laue-Langevin in Grenoble, Frankrijk, dat het geen bewijs kon vinden van steriele neutrino’s om de RAA te verklaren. Het artikel van de experimentele samenwerking was Geplaatst in Natuur.

Jonghee Yoo, universitair hoofddocent bij de afdeling Natuurkunde en Sterrenkunde aan de Seoul National University, noemde het resultaat “uitstekend” en dat het “aantoont dat ons onderzoeksveld zeer actief en gezond is”. Hij was niet betrokken bij het experiment.

Op zoek naar een tekort

De Laue-Langevin-reactor bevat uranium 235, een isotoop van uranium dat gewoonlijk als splijtstof wordt gebruikt. Er is een detector op een paar meter van de reactor om elektronenantineutrino’s te lokaliseren.

De reactor stoot alleen elektronenantineutrino’s uit (niet de andere typen). Als ze in steriele antineutrino’s oscilleren, zal de detector minder elektronen-antineutrino’s oppikken dan de reactor zou moeten uitzenden, legt David Lhuillier uit, een lid van de STEREO-samenwerking en het Instituut voor Onderzoek naar de Fundamentele Wetten van het Universum in Frankrijk. De Hindu.

De detector heeft zes cellen, die elk de flux van elektronen-antineutrino’s op een andere afstand van de reactor meten. Hij kan detecteren ongeveer 400 deeltjes op een dag. Door de gegevens van elke cel met de andere te vergelijken, “hebben we aangetoond dat het tekort van [antineutrinos] kan niet worden verklaard door de vermenging van standaardneutrino’s met een nieuwe steriele neutrino met een massa van ongeveer 1 eV”, zei dr. dit Lhuillier. “Dit resultaat is volledig onafhankelijk van enige voorspelling, aangezien we zes gemeten spectra met elkaar vergelijken.”

STEREO maakt deel uit van een wereldwijde constellatie van experimenten die verschillende aspecten van neutrino’s bestuderen, waaronder de RAA. Geen twee zijn identiek in hun capaciteiten. Al hun resultaten samen helpen bij het opbouwen van het totaalbeeld, zoals het samenstellen van de kleine stukjes van een gigantische legpuzzel.

Dus hoe past het nieuwe resultaat bij de oudere?

“Spanning” met andere resultaten

De STEREO-groep schreef in hun artikel dat hun resultaten in overeenstemming zijn met de conclusies van de PROSPECT ervaring bij Oak Ridge National Laboratory in Tennessee en MicroBooNE-ervaring bij Fermilab, Illinois, in 2021.

Aan de andere kant sloot de groep de resultaten uit die door de Neutrino-4-experiment in Dimitrovgrad, Rusland, in 2021 en de RENO+NEOS-detectoren in Zuid-Korea in 2022.

“Hun resultaten zorgen voor spanningen met Neutrino-4 en RENO+NEOS-resultaten in de ~eV-schaalmassa van steriele neutrino-oplossingen”, zei Dr. Jonghee, die met de RENO+NEOS-opstelling werkte, aan The Hindu.

De massa van subatomaire deeltjes wordt genoteerd in elektronvolt of eV. ‘~eV’ betekent ‘ongeveer 1 eV’. Ter vergelijking: de massa van een elektron is ongeveer 500.000 eV.

De STEREO-groepskrant schreef: “De verklaring van de RAA door een steriele neutrino van een paar eV wordt sterk benadeeld door de STEREO-gegevens.” Er zijn verklaringen voor de RAA die ook betrekking hebben op steriele neutrino’s zwaarder dan “een paar eV”. De nieuwe STEREO-resultaten bevatten ze niet.

“Strikt genomen verwerpt STEREO de steriele hypothese om de anomalie van de reactor te verklaren, wat betekent dat er geen steriele neutrino is met een massa van ongeveer 1 eV die zich zou vermengen met de smaak van de elektronenneutrino op een niveau van ongeveer 10%, “zei dr. Lhuillier.

“Er zouden heel veel lichtere steriele neutrino’s kunnen bestaan ​​en zich vermengen met elektronenneutrino’s, en STEREO zou hier niet gevoelig voor zijn”, vervolgde hij. “We zouden ook steriele neutrino’s van elke massa kunnen hebben, maar zeer zwak mengen, buiten de STEREO-gevoeligheid. De menging zou te zwak zijn om de reactoranomalie te verklaren, maar dat sluit niet uit dat dergelijke neutrino’s steriel zijn.

Het probleem met een zwaar steriel neutrino is echter dat het de grote structuren op een manier die we vandaag niet vinden. “De KATRIN-ervaring gericht op het meten van de absolute massa van standaard neutrino’s zal binnenkort directe beperkingen opleggen aan potentiële steriele zware neutrino’s, “zei Dr. Lhuillier.

Desalniettemin, “hoewel het STEREO-resultaat marginaal is om de parameterruimte volledig uit te sluiten, beschouw ik dit als een uitstekende mijlpaal en prijs ik de STEREO-samenwerking”, aldus Dr. Jonghee. “De zoektocht naar steriele neutrino’s zal doorgaan omdat grote parameterruimten wijd open blijven, ook voor deeltjes met massa’s in de orde van enkele eV.”

Hij voegde eraan toe dat de samenwerking waarvan hij deel uitmaakt nu van plan is “oplossingen op ~eV-schaal te onderzoeken met een verbeterde experimentopzet”.

De zoektocht gaat verder

De Neutrino-4-samenwerking volgt een soortgelijk pad. Een van de leden, Anatoly Serebrov, is professor aan het Instituut voor Kernfysica in Sint-Petersburg, Rusland.

“De huidige situatie met steriele neutrino’s is erg interessant en ingewikkelder dan dat. [announcement] door het STEREO-experiment, waarvan de experimentele gevoeligheid lager is dan de gevoeligheid van het Neutrino-4-experiment”, vertelde hij aan The Hindu.

Dr. Serebrov benadrukte twee werken in uitvoering: een andere ervaring bij Fermilab (anders dan degene die het resultaat voor 2021 aankondigde) en de plannen van Neutrino-4 om zijn bestaande faciliteit te upgraden, inclusief een nieuwe faciliteit met een detector die drie keer gevoeliger is dan de detector die in gebruik is.

“Het niveau van uitsluiting door het STEREO-experiment is ongeveer 3 sigma,” zei Dr. Jonghee, verwijzend naar een maat voor de statistische significantie van het resultaat. “In de experimentele natuurkunde heeft dit significantieniveau verdere verificatie nodig, waar ik denk dat de STEREO-samenwerking en anderen veel aandacht aan zullen besteden.”

Er worden ook pogingen ondernomen om de RAA op andere manieren uit te leggen. Bedenk dat het paar onderzoeken dat in 2011 werd gepubliceerd, aangaf dat er een tekort aan antineutrino’s was in vergelijking met de verwachte snelheid. Enkele analyses suggereren dat natuurkundigen het misschien hebben overschat – wat ook in de STEREO-paper werd aangegeven.

“Door STEREO te combineren met alle andere korte basislijnexperimenten in reactoren, kunnen we een normalisatiebias in de referentie uranium-235 benadrukken [emission] spectrum gemeten in de jaren 1980 als de belangrijkste oorzaak van de tariefanomalie, “zei Dr. Dit Lhuillier. (De basislijn is de afstand tussen de reactor en de detector.)

Posted in Art

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *