FoodPro Preloader

Nytt eksperiment tar sikte på å spre Neutrino Mass Mystery


En 50-fots-kvadrat blokk av NOVA langt detektoren dreies ved laboratoriet i Ash River, Minnesota, hvor den vil oppdage oscillerende nøytriner. Neutrinos er overalt i universet, men vi kan ikke se dem eller føle dem og kan nesten aldri stoppe dem. De strekker seg gjennom våre kropper med trillioner hvert sekund, flitting gjennom mellomromene mellom atomene våre med nary en kollisjon. Di

En 50-fots-kvadrat blokk av NOVA langt detektoren dreies ved laboratoriet i Ash River, Minnesota, hvor den vil oppdage oscillerende nøytriner.

Neutrinos er overalt i universet, men vi kan ikke se dem eller føle dem og kan nesten aldri stoppe dem. De strekker seg gjennom våre kropper med trillioner hvert sekund, flitting gjennom mellomromene mellom atomene våre med nary en kollisjon. Disse spøkelsespartiklene ble skapt i overflod under big bang, og stjerner som solen pumper ut mer hele tiden. Likevel, for all sin overflod, kan nøytriner være de mest mystiske partiklene i kosmos.
I flere tiår trodde fysikere neutriner ikke noe, og de ble sjokkert i 1998 for å oppdage at partiklene har svært små, men ikke-null, masser. Nøyaktig hvor mye masse de har er fortsatt ukjent. Det større spørsmålet er imidlertid hvorfor de har masse i det hele tatt.
Den uventede massen av nøytriner representerer en avvik fra partikkelfysikkens regjerende lag, kalt standardmodellen, slik at å rydde grunnen til at denne massen kunne føre vei til en dypere og fyldigere forklaring på partiklene som utgjør vår verden. "Det er virkelig den første sprekken i standardmodellen på en stund, " sier Indiana University physicist Mark Messier, "og det er en stor interesse for å prøve å trekke den springen åpen og se hva som foregår der." Dessuten synes nøytriner å være hjertet av et større mysterium: spørsmålet om hvorfor vi lever i et univers av materie og ikke antimateriell. De to typer ting skulle ha blitt opprettet i omtrent like store tiltak på begynnelsen av tiden, men på en eller annen måte saken ble vant ut. Forskere mistenker at løsningen av neutrino masseproblemet kan bidra til å avdekke hvorfor det er.
Et nytt eksperiment som stråler neutrinoer under jorden fra Illinois til Minnesota, tar sikte på puslespillet. NuMI Off-Axis Electron Neutrino Utseende, eller NOVA, eksperiment, skaper nøytriner ved å akselerere protoner og smelte dem inn i karbonkjerne inne i et anlegg på Fermi National Accelerator Laboratory i nærheten av Chicago. Disse krasjene produserer en rekke nye partikler, inkludert noen som forfall i nøytriner. Neutrinoene kjører så nær lett hastighet 800 kilometer rett gjennom jorden til Ash River Laboratory i Nord-Minnesota. Partene gjør noe utrolig, de endrer identitetene.
Neutrino smaker
Neutrinoer kommer i tre "smaker", kalt elektron, muon og tau. De er ikke bundet til en, men de kan endre smaken på flyet. Forsøket ved Fermilab ble designet for å generere bare muon-flavored neutrinos. Når de kommer til Minnesota, vil en del av dem imidlertid ha forandret seg til elektron og tau nøytriner. Partiklene passerer gjennom to detektorer - en i begynnelsen av reisen og en på slutten - for å vise forskere hvor mange har vendt smaken under turen. Disse transformasjonene påvirkes av massene av nøytrinene, og NOvAs data kan peke veien mot å forstå hvordan disse massene oppstår.
[ Lysbildefremvisning: Giant Experiments Se Out Tiny Neutrinos ]
Ash River-detektoren i Minnesota er designet for å identifisere elektronnutrinoer. Den inneholder en gitter av tynne plastrør fyllt med et flytende materiale som lyser opp når det er opphisset. Konstruksjonen på 14.000 tonn er den største frittstående plaststrukturen i verden. "På et tidspunkt skulle vi komme i kontakt med Guinness Book of Records for å få dem til å bekrefte det, men jeg vet ikke om det faktisk skjedde, " sier Fermilab fysiker Steve Brice . De fleste nøytriner flyr rett om væsken uten hendelse, akkurat som de vanligvis passerer gjennom saken uten å samhandle. Svært sjelden vil man imidlertid samhandle med et atom i væsken, noe som får materialet til å frigjøre en partikkel i henhold til nøytrinoens smak. Hvis et elektron produseres, skaper det en blits i væsken som registrerer som deteksjon av en enkelt elektronnutrino. Til tross for mengder neutrinos som går gjennom hvert øyeblikk, skjer slike interaksjoner bare noen få ganger om dagen. Over tid kan forskerne bygge opp et pålitelig estimat av hvor ofte muon-nøytrinene som reiser fra Fermilab, forvandler eller oscillerer til elektronnutriner.
Å vite at hastigheten kan gi nye ledetråder om neutrinos masse. Ikke bare vet ikke forskere deres absolutte masser, de vet heller ikke hvor langt fra hverandre massene er avstand eller hvilken smak som er forbundet med de tyngste . Det faktum at nøytriner kan oscillere er det som forteller forskerne at de har masse - og at smaker ikke har de samme massene. De forskjellige massene forårsaker de forskjellige nøytrinene, som ifølge kvantemekanikk kan betraktes som både partikler og bølger, for å reise med litt forskjellige frekvenser. Disse bølgene faller gradvis inn og ut av fase med hverandre, og forskerne ser de forskjellige kombinasjonene som forandringer i neutrinoens smak.
Fordi nøytrino-oscillasjoner og masser er så sammenflettet, har målinger av disse transformasjonene i tidligere eksperimenter allerede avslørt at det er begrensede valg for arrangementet av neutrino-masser. I hovedsak må elektronnutrino være tyngre eller lettere enn de to andre smaker. Det sistnevnte tilfellet kalles det normale masshierarkiet, fordi neutrino smaker vil da parallelle partiklene de er oppkalt etter: elektronnutrinoer ville være lettere enn muon nøytriner, og muon nøytriner er lettere enn tau nøytriner, akkurat som elektroner selv er lettere enn muoner og muoner lettere enn taus. Det andre alternativet, kalt det omvendte hierarkiet, er at elektronnutriner er den tyngste smaken. Ifølge teoretiske spådommer, sier "Messer, en co-talsmann for NOvA, " og når hierarkiet er invertert, blir prosessen undertrykt. "Ifølge den teoretiske prediksjonen, er det normalt at nøytrino-oscillasjonsprosessen vi ser på skjer oftere når hierarkiet er normalt.
Opprinnelsen til neutrino masse
Hvert hierarki-alternativ er knyttet til ulike teorier som forklarer hvorfor nøytriner har masse. For eksempel vil det inverterte masshierarkiet bety at de to tyngre nøytrinene har nesten nøyaktig samme masse. "Å ha partikler med nøyaktig samme masse er et stort tegn på at det er en slags understruktur for dem, " sier teoretikeren André de Gouvêa ved Northwestern University. "En logisk mulighet er at nøytriner kan bli laget av mer grunnleggende partikler. Det kan være en indikasjon på at dyp ned alle nøytrinene er forskjellige manifestasjoner av det samme objektet, som kan se ut som forskjellige partikler ved lave energier eller lange avstander. "
Neutrinos ser ikke ut til å få sine masser som andre partikler gjør - gjennom Higgs bosonen. Den nå berømte partikkelen, oppdaget i 2012 på Large Hadron Collider, er knyttet til et "Higgs-felt" som gjennomsyrer universet. Som partikler beveger seg gjennom dette feltet, plukker de opp masse gjennom samspillet med det. Særlighetene til nøytriner - spesielt det faktum at de er "venstrehåndede" partikler, en betegnelse som har å gjøre med retningen av deres spin-mean at neutrinene sannsynligvis ikke kan interagere med Higgs-feltet. Videre, partikler som får sine masser fra Higgs tendens til å være tyngre. Så langt forskere kan fortelle, har nøytriner massene omtrent en million ganger lettere enn andre partikler av deres klasse, for eksempel elektroner. "Det må være en ny mekanisme som gir masse til nøytriner, " sier Messier. "Denne faktoren på en million slags ber for en forklaring."
Neutrino massebildet er komplisert av det merkelige faktum at neutrino smaker ikke har absolutte faste masser. Snarere er hver smakstilstand det som kalles en superposisjon, eller overlappende, av massestater - i virkeligheten en sannsynlighet for å ha visse masser. Denne sammenstillingen av massestater i nøytriner er faktisk det som gir partiklene muligheten til å forandre smaker.
På et dypere nivå, kan lære av rekkefølgen av neutrino massestater, samt hvorfor de er så små, avsløre noe ikke bare om nøytriner, men om fysikkens natur. "Det er noen mennesker der ute som føler at disse er noe tilfeldige tall, " sier Fermilab teoretiker Stephen Parke. "Jeg tror ikke det. Jeg tror det er noen mekanisme som vi til slutt vil oppdage som forklarer hvorfor massestaten har spesielle blandinger av elektron, muon og tau. Det er det store spørsmålet, spørsmålet mellom turen og Stockholm i desember. "

Antimatter mysterier
Når forskere vet nøytrino masshierarkiet, vil de være bedre i stand til å rydde opp et annet presserende mysterium om partiklene: er neutrinoer deres egne antimatter-kolleger? Alle vanlige sakspartikler antas å ha antimatterpartnere med like masse og motsatt ladning. Fysikere har antydet at noen partikler - såkalte Majorana-partikler - er både saken og antimatteren. Hvis det er sant for nøytriner, da når to av dem kolliderer, burde de utslette hverandre, som materiell og antimatter gjør ved kontakt.
Bestemme om neutrinoer er Majorana partikler er avhengig av et vanskelig forsøk på å lete etter en mulig prosess som kalles neutrinoløs dobbeltbetennelse, hvor to nøytriner som produseres som normale biprodukter av radioaktive henfall, kansellerer hverandre, noe som resulterer i manglende neutrinos. Hvis neutrino massehierarkiet er invertert, skjer forfallsprosessen raskere. Hittil har ingen observert neutrinoløs dobbeltbetabelse, men forskere ser fortsatt ut. "Sensitiviteten til disse forsøkene avhenger av den effektive massen av elektronnutrinoen, " sier NOVAs samtaleperson Gary Feldman, fysiker ved Harvard University. "I det normale hierarkiet vil deres følsomhet bli svært lav. Målingene kan ligge innenfor disse eksperimentene hvis det er den omvendte rekkefølgen, skjønt. "
Å vite om neutrinoer er Majorana-partikler, kan i sin tur hjelpe forskere til å løse massespillet. "Hvis neutrino er Majorana, ville det være et veldig stort hint om hvor sin masse kommer fra, " sier de Gouvêa. "På en sti er neutrino Majorana, og i en annen er det ikke. Fra teoretisk synspunkt er forståelse av neutrino-massene fra disse to perspektiverne svært forskjellige. Hvis vi kunne finne ut hvilken mulighet som er riktig, ville vi utelukke en hel rekke forskjellige teorier. "
I siste instans tror fysikere at neutrinos kan løse et enda større mysterium om antimatter-hvorfor er ikke universet gjort av det heller enn materie? For å forstå hvorfor dette er forvirrende, vurder hva fysikere tror på, skjedde like etter big bang: store mengder av saken og antimatter som nettopp var opprettet, kom sammen og ødela hverandre. Den lille mengden materie igjen etter alle disse ødeleggelsene er det som utgjør de galakser, stjerner og planeter vi har i dag.
For å finne ut hvordan saken fikk overhånden, søker forskerne etter asymmetrier på måter saken og antimatter oppfører seg. De har utelukket muligheten for slike asymmetrier for de fleste typer partikler. "Det er bare noen få steder hvor du kan skjule den materielle antimattersymmetrien i standardmodellen, sier Messier. "Det er mye bevis som peker på nøytriner som opprinnelsen til dette meget store spørsmålet." Hvis neutrinoer ikke er Majorana-partikler, så kan neutrinoer oscillere til andre smaker i forskjellige priser enn antineutrinos gjør. Disse forskjellige hastighetene kunne da ha forårsaket flere nøytriner å overleve epoken av materiell-antimatterutslettelse i tidlig univers.
NOvA har evnen til å måle både nøytriner og antineutrinos, så det vil se etter forskjeller i svingningsraten. På egenhånd er eksperimentet ikke sannsynlig å være følsomt nok til å oppdage en asymmetri. De kombinerte dataene fra NOvA og andre neutrino-eksperimenter kan imidlertid peke i riktig retning. NOVAs hovedkonkurrent er Japans Tokai til Kamioka (T2K) -eksperiment, som har et lignende oppsett. Neutrinos reiser bare 300 kilometer (sammenlignet med NOVAs 800 kilometer) på T2K, men hoveddetektoren er større og mer følsom. "Du kan begynne å klø på overflaten av spørsmålet om antimatter asymmetri når du kombinerer NOVA-dataene med data fra andre eksperimenter rundt om i verden, sier Fermilabs regissør Nigel Lockyer.
For å virkelig svare på spørsmålet, sier han, et enda større eksperiment er trolig nødvendig. Fermilab-forskere legger allerede sammen planer for et neste generasjons prosjekt som heter Long Baseline Neutrino Experiment (LBNE), som er satt til å erstatte NOvA når kjøringen er over. Dette anlegget ville stråle nøytriner fra Fermilab til South Dakota, gjennom 1.290 kilometer jord. Dens detektorer vil også bli plassert under jorden for ytterligere skjerming mot forurensende stråling. Mye av det amerikanske høyfysiske fysikksamfunnet har rallied rundt planen, og Europa og India sier at de vil bli med. "Det krever at en gressrot kommer sammen av verdenssamfunnet for å si at vi vil gjøre dette eksperimentet, sier Lockyer. "Det er en veldig vanskelig tid når det gjelder finansiering, men jeg er en optimist. Jeg tror vi har plassert oss veldig bra. "

Anbefalt


Aviation Industry ser ut til å løse et karbonproblemManglende nøytroner kan føre et hemmelig liv som mørk materieKan vi holde flyene trygge uten å drepe så mange fugler?Hva lærer forskere ved å binde fugler?Records from Ancient China Reveal Link Between Epidemics and Climate ChangeMan-Made Genetiske Instruksjoner Yield Living Cells for første gang2017 Var det tredje hotteste året på rekord for USABybeboere Kjør avskoging i 21. århundre