Technik

Beweise bauen für eine neue Art von Neutrino

Physiker haben gespenstische Partikel aufgefangen Neutrinos sich bei einem Experiment in Illinois schlecht benehmen, was darauf hindeutet, dass eine zusätzliche Spezies von Neutrino existiert. Wenn es sich herausstellt, wären die Ergebnisse nichts weniger als revolutionär und würden ein neues fundamentales Teilchen in das Lexikon der Physik einführen, das sogar dazu beitragen könnte, das Geheimnis der dunklen Materie zu erklären. Unbeeindruckt von der Tatsache, dass sich niemand darüber einig ist, was die Beobachtungen eigentlich bedeuten, diskutieren Experten, die sich diese Woche auf einer Neutrino-Konferenz in Deutschland versammelt haben, bereits aufgeregt über diese und andere weitreichende Implikationen.

Neutrinos waren verwirrend beginnen mit. Vor langer Zeit in den ersten Augenblicken des Universums und heute in den Herzen von Sternen und Kernen von Kernreaktoren gebildet, bewegen sich die winzigen Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und interagieren kaum mit etwas anderem; Jeden Tag passieren Milliarden Menschen harmlos durch Ihren Körper, und ein typisches Neutrino könnte eine Schicht Blei in einem Jahr unbeschadet durchqueren. Seit ihrer Entdeckung in der Mitte des 20. Jahrhunderts wurde vorhergesagt, dass Neutrinos nichts wiegen würden, aber Experimente in den 1990ern zeigten, dass sie einige Massen haben – obwohl Physiker weiß immer noch nicht genau wie viel . Fremder noch, sie kommen in drei bekannten Varietäten oder Geschmacksrichtungen – Elektron-Neutrinos, Myonen-Neutrinos und Tau-Neutrinos – und können sich höchst merkwürdig von einem Geschmack zum anderen verwandeln. Wegen dieser Kuriositäten und anderer haben viele Physiker auf Neutrinos gesetzt, um die Tür zur nächsten Grenze in der Physik zu öffnen.

Jetzt denken einige, die Tür sei nur angelehnt. Die Entdeckung stammt aus 15 Jahren Daten, die das Mini Booster Neutrino Experiment (MiniBooNE) im Fermi National Accelerator Laboratory in Batavia, Illinois, gesammelt hat. MiniBooNE erkennt und charakterisiert Neutrinos durch die Lichtblitze, die sie gelegentlich erzeugen, wenn sie in einem gigantischen Becken mit 800 Tonnen reinem Mineralöl auf Atomkerne treffen. Das Design ähnelt dem eines früheren Projekts, des Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) im Los Alamos National Laboratory in New Mexico. In den 1990er Jahren beobachtete LSND eine merkwürdige Anomalie, eine mehr als erwartete Anzahl von Elektron-Neutrinos in einem Teilchenstrahl, der als Myon-Neutrinos begann; MiniBooNE hat nun dasselbe in einem Neutrino-Strahl gesehen, der von einem Fermilab-Teilchenbeschleuniger erzeugt wurde.

Da Myon-Neutrinos über die kurze Distanz des LSND-Experiments nicht direkt in Elektronaroma umgewandelt werden konnten, schlugen Theoretiker zu der Zeit vor, dass einige der Partikel zu einem vierten Aroma – einem “sterilen Neutrino” – oszillierten und sich dann in Elektron-Neutrinos verwandelten produziert den mysteriösen Überschuss. Obwohl die Möglichkeit verlockend war, gingen viele Physiker davon aus, dass die Ergebnisse ein Glücksfall waren, verursacht durch einige irrtümliche Fehler, insbesondere bei LSND. Aber jetzt, da MiniBooNE das gleiche Muster beobachtet hat, müssen die Wissenschaftler mit potenziell tieferen Ursachen für das Phänomen rechnen. “Jetzt muss man wirklich sagen, dass zwei Experimente den gleichen physikalischen Effekt haben, also muss etwas Grundlegendes passieren”, sagt MiniBooNE Co-Sprecher Richard Van de Water von Los Alamos. “Die Leute können das nicht mehr ignorieren.”

Das MiniBooNE Team hat seine Ergebnisse am 30 Preprint-Server arXiv und präsentieren sie diese Woche im XXVIII Internationale Konferenz über Neutrino-Physik und Astrophysik in Heidelberg, Deutschland.

Ein vierter Geschmack

Sterile Neutrinos sind eine aufregende Aussicht, aber externe Experten sagen, es sei zu früh, um zu folgern, dass solche Teilchen hinter den Beobachtungen stehen. “Wenn es sterile Neutrinos wäre, wäre es revolutionär”, sagt Mark Thompson, ein Neutrinophysiker und Chief Executive des britischen Wissenschafts- und Technologieratungsrats. “Aber das ist ein großes ‘wenn.’”

Dieser neue Geschmack würde als “steril” bezeichnet, da die Partikel keine der Kräfte der Natur empfinden würden, außer der Schwerkraft, wodurch die Kommunikation mit dem Rest der Partikelwelt effektiv blockiert würde. Trotzdem hätten sie immer noch eine Masse, was sie möglicherweise zu einer attraktiven Erklärung für die mysteriöse “Dunkle Materie” macht, die eine zusätzliche Masse für Galaxien und Galaxienhaufen zu liefern scheint. “Wenn es ein steriles Neutrino gibt, hängt nicht nur irgendein zusätzliches Teilchen dort draußen, sondern vielleicht auch ein Bote für den dunklen Sektor des Universums”, sagt Van de Water, Co-Sprecher von MiniBooNE. “Deshalb ist das wirklich aufregend.” Doch die sterilen Neutrinos, die bei MiniBooNE auftauchen könnten, scheinen zu leicht zu sein, um Dunkle Materie selbst zu erklären – vielmehr könnten sie die erste Vorhut einer ganzen Gruppe steriler Neutrinos verschiedener Massen sein . “Sobald es ein [steriles Neutrino] gibt, stellt sich die Frage: Wie viele?”, Sagt Kevork Abazajian, ein theoretischer Physiker an der Universität von Kalifornien, Irvine. “Sie könnten an Schwingungen teilnehmen und dunkle Materie sein.”

Die Ergebnisse sind jedoch schwer zu interpretieren, denn wenn sich Neutrinos in MiniBooNE in sterile Neutrinos verwandeln, dann würden Wissenschaftler erwarten, nicht nur das Auftreten von Extra – Elektron – Neutrinos zu messen, sondern auch ein entsprechendes Verschwinden der Myon – Neutrinos, von denen sie ausgegangen sind zwei Seiten einer Gleichung. Doch MiniBooNE und andere Experimente sehen ein solches Verschwinden nicht. “Das ist ein Problem, aber es ist kein großes Problem”, sagt der theoretische Physiker André De Gouvea von Fermilab. “Der Grund dafür, dass dies kein Beweis gegen die sterile Neutrino-Hypothese ist, ist, dass das [Aufdecken] des Verschwindens sehr schwierig ist. Sie müssen genau wissen, wie viel Sie am Anfang hatten, und das ist eine Herausforderung. ”

Ein anderes Geheimnis?

Oder vielleicht hat MiniBooNE etwas Großes entdeckt, aber keine sterilen Neutrinos. Vielleicht ist ein anderer neuer Aspekt des Universums für das unerwartete Muster von Teilchen im Strahl des Experiments verantwortlich. “Im Moment denken die Leute darüber nach, ob es andere neue Phänomene gibt, die diese Zweideutigkeit auflösen könnten”, sagt De Gouvea. “Vielleicht haben die Neutrinos eine neue Kraft, an die wir nicht gedacht haben, oder vielleicht zerfallen die Neutrinos auf eine komische Weise. Es fühlt sich an, als hätten wir noch nicht die richtige Hypothese gefunden. ”

Ungewöhnlich, das ist ein Geheimnis, Physiker müssen nicht zu lange warten, um zu lösen. Ein weiteres Experiment bei Fermilab namens MicroBooNE wurde entwickelt, um MiniBoone zu folgen und wird in der Lage sein, den Überschuss genauer zu untersuchen. Ein Nachteil von MiniBooNE ist, dass es nicht sicher sein kann, dass die Lichtblitze, die es sieht, tatsächlich von Neutrinos kommen – es ist möglich, dass ein unbekannter Prozess einen Überschuss an Photonen produziert, die das Neutrinosignal nachahmen. MicroBooNE, das später in diesem Jahr seine ersten Daten melden sollte, kann zwischen Neutrinosignalen und Betrügern unterscheiden. Wenn sich herausstellt, dass das Signal ein Überschuss an gewöhnlichen Photonen ist, und nicht an Elektron-Neutrinos, dann sind alle Wetten ausgeschaltet. “Wir wissen nicht, was das in Bezug auf die Physik tun würde, aber wenn es auf Photonen zurückzuführen ist, wissen wir, dass diese sterile Neutrino-Interpretation nicht korrekt ist”, sagt De Gouvea.

Zusätzlich zu MicroBooNE baut Fermilab zwei weitere Detektoren, die auf dem gleichen Neutrinostrahl sitzen und gemeinsam daran arbeiten, die dort stattfindenden Neutrinooszillationen zu untersuchen. Das neue System, das zusammenfassend als das Kurzlinien-Neutrino-Programm bezeichnet wird, sollte bis 2020 einsatzbereit sein und in den frühen 2020er Jahren definitive Daten liefern, sagt Steve Brice, der Leiter der Neutrinodivision von Fermilab.

Bis dahin werden die Physiker weiterhin über die Geheimnisse der Neutrinos debattieren – ein Gebiet, das jedes Jahr größer und aufregender wird. Das Treffen in Heidelberg zum Beispiel ist die größte Neutrino-Konferenz aller Zeiten. “In den letzten zehn Jahren ist es stetig angestiegen”, sagt Brice. “Es ist ein Gebiet, das schwer zu studieren ist, aber es erweist sich als ein sehr fruchtbares Feld für die Physik.”

Post Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.