Независимо от того, смотрите ли вы на новые результаты как на «прицеливание» на неуловимые частицы или как на в значительной степени исключающее их существование, ученые говорят, что поиск стерильных нейтрино будет и должен продолжаться.«Обнаружение истинных доказательств существования стерильных нейтрино коренным образом изменит наше понимание Вселенной», — сказал физик из Брукхейвена Синь Цянь, один из охотников за нейтрино. Эти светлые, электрически нейтральные частицы могут быть компонентами таинственного «темного мира», включая темную материю, которая, как известно физикам, составляет около четверти Вселенной, но никогда не была обнаружена напрямую.
«Во время Большого взрыва в самом начале Вселенной часть энергии превратилась в частицы, которые до сих пор оказались полностью невидимыми», — объяснил Милинд Диван, другой нейтринный физик из Брукхейвена. «То, что существует такая темная — необнаружимая — материя — установленный факт. Из чего она состоит — большая загадка. Каждый раз мы находим намек на новую нейтральную частицу, которая могла бы объяснить эту недостающую энергию — или новый метод поиска — он предлагает нам окно во вселенную, которую мы должны исследовать ».Ученые говорят, что даже процесс выяснения того, как искать неуловимую, необнаруживаемую частицу — что измерять и как просеивать данные — стоит того, потому что он неожиданным образом стимулирует творчество и эволюцию научного мышления.
«Все эти анализы являются побочными результатами основных исследовательских программ экспериментов, в ходе которых ученые осознали, что у них есть возможность взглянуть на данные по-новому и интересно», — сказал Диван. «Таким образом, эти программы создают группу молодых исследователей, которые понимают, как тщательно анализировать данные и ставить под сомнение результаты, и они станут лидерами с теми типами навыков, которые необходимы нам в науке».Ученые Brookhaven Lab играют важную роль как в Daya Bay, так и в MINOS, и были необходимы для понимания того, как данные, собранные для основных исследовательских целей экспериментов, могут быть использованы для поиска «сигнатур» стерильных нейтрино. Например, Цянь из Брукхейвена руководил разработкой статистических методов для объединения результатов этих экспериментов, работая с группой докторантов и аспирантов — примерно половина из Дайя Бэй и половина из MINOS.«Потребовались некоторые усилия, чтобы окончательно определить, какой статистический метод использовать», — сказал Вей Тан, один из постдоков из Брукхейвена. «Работа с двумя коллаборациями с очень разными культурами — хороший пример того, как делается эта работа — как наука объединяет людей», — сказал он.
Отверстия и подсказкиИ MINOS, и Daya Bay предназначены для изучения деталей нейтрино, крошечных субатомных частиц, которые не несут электрического заряда и путешествуют на огромные расстояния, ни с чем не взаимодействуя. Стандартная модель физики элементарных частиц — список известных частиц и сил, посредством которых они взаимодействуют, — описывает три известных нейтринных «аромата» (электрон, мюон и тау), названные в честь их связи с заряженными частицами с этими названиями.
Но Стандартная модель также говорит, что нейтрино не имеют массы — идея, недавно опровергнутая экспериментами, подтверждающими способность этих частиц изменять идентичность между тремя ароматизаторами. Эти изменяющие аромат "колебания" возможны только в том случае, если нейтрино существуют в различных массовых состояниях — действительно, смесь разных масс для каждого известного аромата. Таким образом, обнаружение осцилляций нейтрино, открытие, получившее Нобелевскую премию по физике 2015 года, является доказательством того, что нейтрино действительно имеют массу, указывая по крайней мере на одну дыру в Стандартной модели.«Тот факт, что нейтрино обладают массой, является сильным намеком на то, что мы можем открыть другие вещи, которых мы не знаем об этих частицах», — сказал Цянь. «Было бы потрясением, если бы четвертый тип, стерильные нейтрино, действительно существовал».
Поиск стерильных нейтрино также мотивирован теоретическими идеями и намеками из более раннего эксперимента в Лос-Аламосской национальной лаборатории, который, возможно, наблюдал новый вид осцилляции нейтрино — приблизительно описываемый как двухступенчатый сдвиг, который преобразует существующие мюонные нейтрино в нейтрино четвертый, необнаруживаемый (он же «стерильный») аромат, который затем снова осциллирует, превращаясь в электронные нейтрино. Команда из Лос-Аламоса измерила скорость этого предложенного двухэтапного преобразования через неуловимый промежуточный привкус.
Новые результаты MINOS и Daya Bay проверяют это наблюдение, измеряя частоту отдельных шагов. Умножение скоростей, измеренных для каждого из двух отдельных этапов, которые включают предложенное стерильное нейтрино, должно равняться скорости, измеренной командой Лос-Аламоса — если стерильное нейтрино действительно существует.
Предупреждение: здесь все немного сложноНа первом этапе — преобразование мюонных нейтрино в предполагаемые стерильные — мы говорим об измерении преобразования частицы, которую ученые могут создать и обнаружить, в частицу, которую они никак не могут «увидеть». Поэтому вместо того, чтобы пытаться измерить что-то необнаружимое, они ищут скорость, с которой мюонные нейтрино исчезают, не превращаясь ни в один из двух других известных типов.
Эта работа была проделана с помощью эксперимента MINOS, который производит пучок мюонных нейтрино для измерения их колебаний в сторону других ароматов.На втором этапе — превращении необнаруживаемой частицы в обнаруживаемую — перед учеными стояла еще более сложная задача.«Мы не можем создать пучок необнаруживаемых стерильных нейтрино — в конце концов, мы даже не знаем, существуют ли они!» — сказал Диван.
Вместо этого они пользуются одним из основных законов природы, а именно, что скорость этого процесса должна быть одинаковой независимо от того, идет он вперед или назад, и измеряют скорость обратного процесса. Они используют пучок электронных нейтрино (на самом деле электронные антинейтрино, которые для целей этого эксперимента одинаковы) и измеряют скорость их исчезновения, исключая или учитывая их превращение в один из двух других известных типов.Электронные антинейтрино генерируются в активной зоне ядерных реакторов — в данном случае в группе из шести, которые являются частью эксперимента нейтрино Daya Bay в Китае.
Детекторы, расположенные на разном расстоянии от реакторов, улавливают сигналы, которые позволяют ученым вычислять частоту колебаний.В статьях, публикуемых в PRL — одна из коллабораций Daya Bay, одна из MINOS, а другая представляет комбинированный анализ результатов Daya Bay и MINOS, а также повторный анализ результатов Bugey, более старого эксперимента во Франции — Главный вывод — бухгалтерский учет не работает. Умножение скоростей двух отдельных реакций не соответствовало данным Лос-Аламоса.
Перекрывающиеся графики результатов различных анализов выявили лишь небольшие оставшиеся «области параметров», где стерильные нейтрино все еще могли «прятаться».IceCube, эксперимент, который измеряет колебания нейтрино из атмосферы с помощью детектора глубоко подо льдом Антарктиды, также недавно сообщил о новых результатах. Его поиски исчезновения мюонных нейтрино до предполагаемого стерильного аромата также не увенчались успехом, без каких-либо стерильных нейтрино.Следующий рубеж
Дальнейшие эксперименты в Fermilab продолжат поиск в оставшихся каналах.Но даже если они не найдут неуловимые частицы, поиск, конкуренция и сотрудничество, которые он стимулирует между учеными, участвующими в различных экспериментах и в разных странах, откроют новые возможности.
Эти команды создают технологии — детекторы, инфраструктуру данных и инструменты анализа — необходимые для следующего поколения экспериментов, включая эксперимент Deep Underground Neutrino, который будет проводиться в Fermilab при широком международном участии.«Физика массы нейтрино и физика Вселенной — ее образование и структура — тесно связаны», — сказал Диван. «Открытия последних нескольких десятилетий показали, что Вселенная заполнена электрически нейтральным невидимым веществом, включая нейтрино, которые могут иметь неизвестные и богатые взаимодействия. Раскрытие таинственных свойств нейтрино оказывается одним из немногих возможных окон в этот темный мир. . "