FoodPro Preloader

Ghostly Beacons of New Physics


Kort sagt Neutrino er den merkeligste rasen av fundamental partikkel. Neutrinos ser ut til å utfordre alle prejudikater som er satt opp av bedre forstått varianter av partikler, som elektroner og kvarker. Lette, skarpe og svært vanskelig å oppdage, neutrinoer har vært nervøse eksperimenterende i flere tiår. Selv

Kort sagt

  • Neutrino er den merkeligste rasen av fundamental partikkel. Neutrinos ser ut til å utfordre alle prejudikater som er satt opp av bedre forstått varianter av partikler, som elektroner og kvarker.
  • Lette, skarpe og svært vanskelig å oppdage, neutrinoer har vært nervøse eksperimenterende i flere tiår.
  • Selv i dag fortsetter de grunnleggende egenskapene til neutrinene for debatt. Noen av hovedspørsmålene gjelder opprinnelsen til deres mager masser, naturen til neutrino antimatter og antall neutrino arter som eksisterer, for ikke å nevne deres forkjærlighet for å bytte identiteter på fluen.
  • Å avdekke nøytinoens sanne natur kan bane vei til en mer enhetlig teori om fysikk.

Få fysikere har hatt det privilegium å bringe en ny elementær partikkel inn i verden. Da Wolfgang Pauli slo på ideen om neutrino i 1930, hevdet interne bekymringer hans svar. «Jeg har gjort en forferdelig ting, » sa Pauli senere til sine kolleger. "Jeg har postulert en partikkel som ikke kan oppdages." Neutrinoen er faktisk unnvikende. Den spøkelsesrike naturen tillater det å gå gjennom nesten alle fysiske barrierer, inkludert materialene som fysikere bruker i partikkeldetektorer. Faktisk, de fleste nøytriner passerer rent gjennom jorden uten så mye som børsting mot en annen partikkel. Likevel viste Paulis frykt seg å være litt overblown: neutrinoen kan oppdages, selv om det krever stor innsats og eksperimentell oppfinnsomhet.

Neutrinoer er de merkeligste av de grunnleggende partiklene av andre grunner også. De fyller ikke atomer, og de har heller ikke noe å gjøre med kjemi. De er de eneste elektriskt nøytrale partiklene. De er ekstremt lys-mindre enn en milliondelte massen av den nest-til-letteste materielle bestanddelen, elektronen. Og nøytriner, mer enn andre partikler, metamorfose; de skifter mellom tre varianter, eller "smaker".

Disse små partiklene har holdt fysikere i kontinuerlig forbauselse i mer enn 80 år. Selv i dag er grunnleggende spørsmål om neutrino ubesvarte: Er det bare tre smaker av neutrino, eller eksisterer det mer? Hvorfor er alle nøytriner så lett? Er neutrinoer sine egne antimatter-kolleger? Hvorfor skifter neutrinoer karakter med så utrolig verve?

Rundt om i verden - ved partikkelkolliderer, ved atomreaktorer, i forlatte minaksler - nye eksperimenter som kan løse disse spørsmålene kommer online. Svarene de leverer, skal gi viktige ledetråder til naturens indre arbeid.

Neutrino s oddities gjør det til en lodestar guiding particle fysikere på den skremmende reisen mot en såkalt grand unified teori som beskriver alle partikler og krefter, unntatt tyngdekraften, i et konsistent matematisk rammeverk. Standardmodellen for partikkelfysikk, den beste teorien om partikler og krefter til dags dato, kan ikke imøtekomme alle kompleksiteten til neutrino. Det må utvides.

Lett, men Trykk

Den mest populære måten å bygge på neutrino-segmentet i standardmodellen er å introdusere nye enheter som kalles høyrehendte neutrinoer. Handedness er en variant av elektrisk ladning som avgjør om en partikkel føles den svake samspillet, kraften som er ansvarlig for radioaktivt henfall; en partikkel må være venstrehåndet for å føle den svake kraften. Disse hypotetiske høyrehendte partiklene ville dermed være enda tøffere enn deres venstrehåndede fellows, eksperimentelt viste neutrinos av standardmodellen. Alle neutrinos er klassifisert som leptoner - den utvidede partikkelparten som også inneholder elektronene - noe som betyr at de ikke føler sterk kraft som holder sammen protonene og nøytronene i atomkjernen. Manglende elektrisk ladning, heller ikke nøytriner, føler seg direkte elektromagnetiske krefter. Det etterlater bare tyngdekraften og det svake samspillet for de tre kjente neutrino-smaker, men en høyrehendt neutrino ville være ugjennomtrengelig, selv til den svake kraften.

Hvis en høyrehendig neutrino eksisterer, vil det gi en veldig rimelig forklaring på et annet nøytrino-puslespill: årsaken til at de tre venstrehåndede varianter-elektronen, muon og tau-nøytrinene-alle har slike små masser.

De fleste elementære partikler får sin masse ved å samhandle med det allestedsnærværende Higgs-feltet. (Higgs gjorde overskrifter i mars da fysikere på Large Hadron Collider, eller LHC, ved CERN i nærheten av Genève, annonserte resultater som sterkt indikerer at en ny partikkel identifisert i 2012 var faktisk den ettertraktede Higgs bosonen. Den boson er partikkelmodellen til Higgs feltet, akkurat som fotonen er motstykket til det elektromagnetiske feltet.) I prosessen bærer Higgs partiklernes svake kraftutgave av elektrisk ladning. Fordi høyrehendte neutrinoer mangler denne ladningen, er deres masse ikke avhengig av Higgs-feltet. I stedet kan det fremstå av en annen mekanisme helt ved de ekstremt høye energiene i den store forening, noe som ville gjøre den høyrehendte neutrinoen enormt tung.

Kvanteffekter kan knytte høyrehendte neutrinoer til sine venstrehåndede søsken på en måte som ville forårsake den enorme massen av en til å "smitte" den andre. Smittsomheten ville være svært svak, skjønt - hvis den høyrehendte neutrino kom ned med lungebetennelse, ville den venstrehåndede bare få en mindre hoste, noe som betyr at venstrehendt masse ville være veldig liten. Dette forholdet kalles seesaw-mekanismen fordi en stor masse øker, eller løfter opp, en mindre masse.

En alternativ forklaring på neutrino-massene oppstår fra supersymmetri, en ledende kandidat for ny fysikk utover standardmodellen. I supersymmetrihypotesen har hver partikkel innenfor standardmodellen en uoppdaget partner. De såkalte superpartnerpartiklene, som må være overordentlig massive for å ha hittil unnslått deteksjon, ville øyeblikkelig minst fordoble antall elementære partikler. Hvis supersymmetriske partikler eksisterer, kan LHC være i stand til å produsere dem og måle deres egenskaper.

En av de mest tiltalende egenskapene til supersymmetri er at en superpartikkel kjent som nøytralino gjør en fin kandidat for mørkt materie - massen i galakser og galakse-klynger som utøver et tyngdekraften, men ikke avgir lys eller avslører seg selv på andre åpenbare måter. Den nøytralino ville passe regningen for mørk materie bare hvis den var stabil over lange perioder, i stedet for å decaying raskt bort til en annen partikkel.

En kortvarig nøytralino ville dermed sende mørke saksforskere tilbake til tegnebrettet, men kunne vise seg å være en velsignelse for neutrino fysikere. Neutralinans stabilitet er avhengig av en hypotetisk egenskap som kalles R-paritet, som forhindrer superpartnerene i å falle ned i noen av de vanlige standardmodellpartiklene. Hvis R-paritet ikke holder, blir nøytralinoen ustabil, og forfallet avhenger delvis av massen av neutrino.

To av oss (Hirsch og Porod), i samarbeid med José Valle ved Universitetet i Valencia i Spania og Jorge C. Romão fra Lisboa tekniske universitet i Portugal, har vist at koblingen mellom nøytriner og nøytralino kan testes ved LHC. Hvis stabiliteten til nøytralino faktisk er avhengig av nøytriner, vil nøytralinans levetid være forutsigbar fra kjente neutrinoegenskaper. Og det skjer bare slik at superpartikkelen bør eksistere lenge nok for fysikere å spore hele sin levetid - fra produksjon til forfall - inne i detektorer av LHC.

Hva er antimatteren?

Alle troverdige forklaringer for neutrinoens elendige masser peker på uutforskede fysikkfelt. En av disse forklaringene, seesaw-mekanismen, kan også bære på mysteriet om hvordan saken kom til å herske over antimatter - en triumf som gjorde det mulig for dannelsen av kosmisk struktur og til slutt utvikling av livet.

Hver partikkel i standardmodellen har en antimatter-motpart, en slags Bizarro World-versjon med en motstridende ladning. Elektronen har for eksempel en elektrisk ladning på -1, og antielektronen, eller positronen, har en ladning på +1. Når en elektron og positron kolliderer, kansellerer kostnadene deres, og partiklene forbrenner i strålingsstråling. Den fullstendige ladeløsheten til høyrehendede neutrino kan ha en viktig konsekvens: det kan bety at for nøytriner er materie og antimatter en og samme. I fysikkens terminologi er elektronen og positronen kjent som Dirac-partikler. En partikkel som er sin egen antimatter-motpart, derimot, er en Majorana-partikkel.

Hvis seesaw-teorien gjenspeiler partikkelverdenes virkninger, er de venstrehendte neutrinene smittet ikke bare med masse, men også med Majorana-ness av høyrehendte neutrinoer. Med andre ord, hvis noen nøytriner er deres egne antipartikler, så er alle nøytriner.

Neutrinoer og deres antipartikler er en og samme ville ha en rekke fascinerende implikasjoner. For eksempel kan neutrinoer utløse overganger mellom partikler og antipartikler. I de fleste partikkelreaksjoner blir det såkalte leptonnummeret, eller antall leptoner minus antall antileptoner, bevaret, det endres ikke. Neutrinos kan imidlertid bryte denne regelen, og skape ubalanse mellom materie og antimateriell. For oss mennesker er ubalansen en veldig god ting, for hvis materiell og antimateriell var likeparret i etterkant av big banget, ville de ha fullstendig utslettet hverandre og ikke etterlatt noe bak å bygge galakser, planeter og livsformer. Forklaringen på materiellets dominans over antimatter har lenge forsvunnet fysikere og kosmologer.

Forsvinner lov

Forbindelsen mellom nøytriner og deres antipartikler trenger ikke å tåle i rike av tantalizing, men til slutt utestengt teori. Mange eksperimenter, fortid og nåtid, har forsøkt å svare definitivt om nøytriner er faktisk deres egne antipartikler ved å lete etter en type radioaktiv hendelse kjent som kjernefysisk beta-forfall.

Neutrinos og antineutrinos ble først observert i nukleært beta forfall, hvorved et atom avgir en elektron, sammen med en antineutrino. I flere kjernefysiske isotoper kan det forekomme to betennfall, som under normale omstendigheter sender ut to elektroner og to antineutriner. Likevel, hvis neutrinoen er en Majorana-partikkel, kan den samme antineutrinoen som sendes ut i det første forfallet, absorberes i det andre. Resultatet er en dobbelt beta-forfall som ikke avgir neutrinos eller antineutrinos [ se boks på motsatt side ]. På et øyeblikk, der det tidligere ikke var noen leptoner, dukker opp to leptoner (elektronene) uten deres vanlige, motbalanserende antileptoner (antineutrinene). Med andre ord, dette såkalte neutrinoløse doble beta-forfallet bryter bevaringen av leptonnummeret.

For tiden er søket etter neutrinoløst dobbeltbetennelsesfall den beste testen vi har for Majorana neutrinos spesielt og for lepton nummer brudd generelt. I prinsippet er et neutrinoløst dobbelt beta-decay-eksperiment enkelt: samle en atomenergi som germanium 76, der det kan forekomme samtidige beta-fall, og vent på fremveksten av to elektroner som ledsages av nøytriner. I praksis er imidlertid forsøkene svært vanskelige. Dobbelt beta-forfall av noe slag er overordentlig sjeldent, så eksperimenter må samle store mengder germanium eller andre kildematerialer for å få et håp om å dokumentere den nøytrinolske variasjonen. For å gjøre saken verre, har den konstante strømmen av subatomære partikler som regner ned på jorden fra kosmiske stråler, en tendens til å drukne ut det lille signalet fra dobbelt beta-fall. Så eksperimentellister må begrave sine detektorer dypt under jorden eller i tidligere gruver eller andre underjordiske laboratorier, hvor overliggende stein skjermer ut nesten alle kosmiske stråler.

Dessverre er den eneste rapporten til dags dato for nøytrinoløs dobbeltbetennelse, fra Heidelberg-Moskva Double Beta Decay Experiment i Italia, blitt kraftig angrepet av andre fysikere. Neste generasjons detektorer som nettopp begynner å ta data eller er under konstruksjon, vil gjennomføre et grundigere søk. Et eksperiment i New Mexico, som heter EXO-200, og en i Japan, kalt KamLAND-Zen, publiserte nylig de første dataene fra deres søk etter neutrinoløs dobbeltbetabelse, noe som førte til friksjon med det tidligere kravet, men uttalt ikke utvetydig.

GERDA-eksperimentet i Italia, som kom online i 2011, bruker samme isotop som Heidelberg-Moskva-oppsettet i en forbedret design som tar sikte på å direkte konfrontere sin forgjengers kontroversielle funn. Både EXO-200 og KamLAND-Zen-eksperimenter fortsetter sin virksomhet, og et apparat som kalles CUORE, er planlagt å begynne å ta data i Italia i 2014. Antallet av avanserte eksperimenter som nå er i gang gir et svært rimelig håp om at neutrinoløs dobbeltbetabelse kan bli bekreftet før slutten av dette tiåret.

Lysbrytere

Å finne en ennå uoppdaget neutrino eller bevise at neutrinos og antineutrinos er en og samme, ville legge til et helt nytt lag av intriger til disse allerede forvirrende partiklene. Men selv når vi fysikere jakter på nye fasetter av disse partiklene, fortsetter vi å kjempe med mekanismen som ligger til grunn for et godt dokumentert, men dårlig forstått attributt til nøytriner - deres sterke tilbøyelighet til metamorfose. I litteraturen sier vi at mengden lepton smaksbrudd, eller neutrino-blanding, er stor i forhold til blandingen mellom smaker av kvarker, de elementære partiklene som utgjør protoner og nøytroner.

Mange forskergrupper over hele verden undersøker hvordan nybegrepte symmetrier av naturnøkkelenes fellesiteter mellom tilsynelatende forskjellige krefter og partikler - kan forklare slik atferd. Et eksempel er de symmetrier som er iboende på måter som de kjente partiklene forvandler fra den ene til den andre. Gautam Bhattacharyya fra Saha-instituttet for kjernefysikk i Calcutta, Philipp Leser fra Dortmunds tekniske universitet i Tyskland, og en av oss (Päs) nylig oppdaget at slike symmetrier ville påta seg Higgs-feltet påfallende. Samspillet mellom smak-swapping quarks og neutrinos med Higgs-feltet vil manifestere seg i eksotiske forfallsprodukter av Higgs bosoner som burde være observerbare på LHC. Et slikt signal kunne peke på den underliggende mekanismen for neutrinos hyperaktive transmutasjoner, noe som sikkert ville være en av de mest spektakulære funnene ved LHC.

I mellomtiden spiker en annen familie av eksperimenter ned hvor ofte partiklene bytter identiteter. Long-baseline eksperimenter som T2K i Japan, MINOS i Minnesota og OPERA i Italia oppdager bjelker av nøytriner som kommer fra partikkel akseleratorer hundrevis av kilometer unna, for å måle forandringer i smak som nøytriner går gjennom lange avstander gjennom jorden [ se boks på side 23 ]. Vektene av disse forsøkene er så store at neutrinene kan krysse statslinjer eller til og med internasjonale grenser på sine reiser. (I 2011 gjorde OPERA nyheter da fysikere fra samarbeidet kunngjorde at nøytriner i forsøket syntes å reise fra CERN til et underjordisk italiensk laboratorium raskere enn lysets hastighet - en måling som snart viste seg å være feil.) I tillegg til disse langvarige distansnutrino-eksperimenter, Double Chooz-prosjektet i Frankrike, Daya Bay Reactor Neutrino-eksperimentet i Kina og RENO i Sør-Korea, måler kortvarig oscillasjon av nøytriner fra atomreaktorer.

Bare i 2012 bestemte disse eksperimentene endelig den siste og minste av de såkalte blandingsvinklene, parametrene som styr overgangene mellom neutrino smaker. Den endelige blandevinkelen som skal festes, kjent som reaktorvinkelen, beskriver sannsynligheten for en elektronnutrino eller antineutrino-konvertering over en kort basislinje. Målingene av reaktorvinkelen åpnet muligheten for at fremtidige neutrino-eksperimenter kan sammenligne egenskapene til neutrin og antineutrin. En asymmetri mellom partikler og deres antimatter-kolleger vil bli kjent som CP-overtredelse, og sammen med studier av neutrinoløs dobbeltbetabelse kan det bære på mysteriet om hvorfor det er mer saken enn antimatter i vårt univers.

Av de pågående søkene har T2K trolig den første anstendig sjansen til å se hint av CP-brudd. Men løpene er blant denne nye generasjonen av eksperimenter for å svare på nøkkelnutrino-spørsmål - og det lover å være spennende. Det langvarige NOVA-eksperimentet, som nå er under bygging i USA, har også potensial til å avdekke CP-brudd i nøytriner. NOVA vil brenne en neutrinobjelke gjennom jorden fra Fermi National Accelerator Laboratory i Batavia, Ill., Tvers over delstaten Wisconsin og toppen av Lake Superior, til en detektor i Ash River, Minn., 810 kilometer unna. Neutrinene vil gjøre turen på mindre enn tre millisekunder.

Blant sine forskningsmål har NOvA også til hensikt å klargjøre nøytrino-massehierarkiet - å avgjøre hvilken av neutrinene som er den letteste og som er den tyngste. For tiden vet fysikere bare at minst to nøytrino-arter har ikke-nullmasser, men som med så mange aspekter av disse spøkelsespartiklene, unngår detaljene oss.

Dvelende mysterier

Med så mange nøytrinoeksperimenter på gang med forskjellige mål, forskjellige design og forskjellige partikkelkilder, har de varierte dataene som kommer fra hele verden noen ganger gitt motstridende tolkninger. En av de mest tantalizing-så vel som kontroversielle-eksperimentelle tips tyder på eksistensen av en ny partikkel kalt steril nøytrino.

Echoing Pauli's frykt i 1930, ville den sterile nøytrino bare være indirekte påvisbar, akkurat som den mye tyngre høyrehendte neutrinoen til seesaw-mekanismen. (Fra et teoretisk synspunkt er de to foreslåtte partiklene imidlertid nesten hverandre eksklusive.) To eksperimenter kan likevel ha fanget en steril neutrino. LSND, som kjørte på Los Alamos nasjonale laboratorium på 1990-tallet, fant tidlig, men kontroversielt bevis for en unnvikende type neutrino-smaksomdannelse-muon antineutrinos som myrdet til elektron-antineutrinos. Fermilabs MiniBooNE, som begynte å produsere vitenskapelige resultater i 2007, antydet også ved slike konverteringer. Likevel passet LSND og MiniBooNE-svingningene ikke pent inn i standard tre-neutrino-bildet.

Kvantemekanikk tillater neutrinos å oscillere mellom smaker bare hvis de har masse - og bare hvis hver smak har en annen masse. De ulike neutrino-massene kan utløse nøytrinokonvertering for å forklare LSND- og MiniBooNE-anomaliene, men bare hvis en annen massedifferanse eksisterer i tillegg til de som allerede er kjent, med andre ord, bare hvis det finnes fire neutrino-typer i stedet for tre. En ekstra neutrino-kobling til den svake kraften ville gjøre Z boson-en bærer av den svake kraft-forfallet for fort, så denne partikkelen ville ikke samhandle med den svake kraften i det hele tatt. Følgelig den "sterile" betegnelsen: Denne hypotetiske nøytrinoen ville nesten være helt koblet fra resten av partikkels zoo.

Detektorer av forskjellig type, som fanger nøytriner fra nærliggende atomreaktorer, har også registrert overraskende resultater som kan peke på en steril nøytrino. Dataene fra flere reaktorforsøk indikerer en anomaløs forsvunnelse av elektronantineutriner over svært korte avstander, som, hvis de tolkes i form av neutrino-oscillasjoner, ville innebære eksistensen av sterile nøytriner. Anomalien har eksistert i noen tid, men nyere omberegninger av nøytrinoutgangen fra de ulike reaktorene har styrket saken for en ny partikkel.

Beviset for sterile nøytriner, som det er, forblir sketchy, indirekte og konflikt-alt som kan forventes i jakten på en beryktet, unnvikende og muligens ikke-eksisterende partikkel. Men MiniBooNE og et ledsagende eksperiment, kalt MicroBooNE, som nå er under bygging på Fermilab, kan snart ha noe fastere å si om saken. Og en ny avling av foreslåtte eksperimenter, som vil studere reaktoranomali, diskuteres også.

Det er bemerkelsesverdig at den mektige LHC og de relativt lavenergi-eksperimenter på den ydmyke nøytrinoen gir slike komplementære ruter for å utforske naturens indre arbeid. Mer enn 80 år etter at Wolfgang Pauli hadde tenkt på sin "partikkel som ikke kan oppdages, " fortsetter nøytriner å beskytte sine hemmeligheter tett. Likevel rettferdiggjør den potensielle utbetalingen ved å unraveling disse hemmelighetene de tiårene lange innsatsene for å pry lenger inn i neutrino privatliv.

Denne artikkelen ble opprinnelig utgitt med tittelen "Ghostly Beacons of New Physics" i SA Special Editions 22, 2s, 20-27 (mai 2013)

MER FOR Å EXPLORE

Testing av Neutrino-blanding ved fremtidige collidereksperimenter. W. Porod, M. Hirsch, J. Romão og JWF Valle in Physical Review D, Vol. 63, nr. 11, artikkel nr. 115004; 30. april 2001.

Neutrinos fysikk: og applikasjoner til astrofysikk. Masataka Fukugita og Tsutomu Yanagida. Springer, 2003.

Probing Minimal Supergravity i Type-I Seesaw Mechanism med Lepton Flavour Violation på CERN LHC. M. Hirsch, JWF Valle, W. Porod, JC Romão og A. Villanova del Moral in Physical Review D, vol. 78, nr. 1, artikkel nr. 013006; 18. juli 2008.

Eksotiske Higgs Boson Decay Modes som en Harbinger av S 3 Flavour Symmetry. Gautam Bhattacharyya, Philipp Leser og Heinrich Päs i Physical Review D, Vol. 83, nr. 1, artikkel nr. 011701; 7. januar 2011.

Neutrinoløs Double-Beta Decay og Physics utenfor standardmodellen. Frank F. Deppisch, Martin Hirsch og Heinrich Päs i Journal of Physics G: Nuclear and Particle Physics, Vol. 39, nr. 12, artikkel nr. 124007; 19. november 2012.

OM AUTOREN (S)

Martin Hirsch er professor i Astroparticles og High-Energy Physics Group ved IFIC, et felles senter for partikkelfysikk ved Universitetet i Valencia og Det spanske Nasjonalt forskningsråd.
Heinrich Päs er professor ved Dortmunds tekniske universitet i Tyskland. The Perfect Wave, hans bok om nøytriner, kommer fra Harvard University Press.
Werner Porod er professor ved Universitetet i Würzburg i Tyskland.

Siste nytt

Hot Spot Hot Rod: Internett Invaderer AutomobileRinger av Saturn og 2 Moons Shine i nydelig NASA PhotoAntarktis Lake Vostok May Hold Extreme LifeÅ gjøre de store Apple Green Starts med Empire State BuildingSaint Patrick's Day Science: Brew Up Some Green Soda Pop!Incognito Caterpillar truer amerikanske grenserAfrika Faces Hotter FutureEt resirkulert univers