På vägen till precision | naturfysik

På vägen till precision | naturfysik

Anonim

ämnen

  • Experimentell partikelfysik

De första resultaten från NOvA-experimentet bekräftar vad vi redan vet om neutrinosvängningar. När datainsamlingen fortsätter närmar vi oss att hitta de återstående okända parametrarna.

NOvA är det längsta experimentet på jorden. Den avfyrar en stråle av neutrinoer som reser 810 km mellan Fermilab, nära Batavia, Illinois och en detektor i en gruva i norra Minnesota. De senaste NOvA-resultaten 1, 2 bekräftar svängningarna mellan de tre olika neutrino-typerna. Medan detta inte är nyheter, är experimentets stora storlek ett viktigt steg mot att svara på några av de största frågorna i fysiken idag.

Den oobserverade vågfunktionen hos kvantpartiklar, som neutrino, är en blandning av möjliga tillstånd med varierande sannolikhet. Dessa tillstånd beror på partiklarnas interaktionskrafter eller massor. I detta avseende finns det tre möjliga "smaker" (benämnda elektron, muon och tau) som en neutrino kan anta när den samverkar via den enda kraften den kan: den svaga kärnkraften. Neutrinoen är känd som spöket från partikelvärlden eftersom den känner bara den svaga kärnkraften har en mycket låg sannolikhet för att interagera med andra ämnen (det vill säga tvärsnittet är mycket litet) - i den utsträckning som Wolfgang Pauli ursäktade för att postulera existensen av en partikel som han trodde att ingen någonsin kunde observera. Bristen på interaktion tillåter en neutrino att existera i en kvant-superposition under stora perioder när den reser över stora avstånd.

Neutrino-smakerna är besläktade, men på något sätt anpassade till masstillstånden, som är mindre fantasifullt benämnda 1, 2 och 3 (fig. La). Samspelet mellan smaker och masstillstånd kan utvecklas enligt Dirac-ekvationen, och när neutrinoer rör sig, förändras sannolikheten för varje masstillstånd och potentiellt uppmätt smak. Detta bekräftades först av det japanska experimentet Super-Kamiokande 1998 3 från observationer av atmosfäriska neutrinoer producerade av kosmiska strålduschar, och återigen 2001 av SNO-experimentet i Kanada 4, som observerade solneutrinoer. Sedan dess har neutrino-svängningar setts i neutrino från kärnreaktorer (som Daya Bay-experimentet i Kina och RENO i Sydkorea) och av människan gjorda neutrino-strålar från protonacceleratorer (som T2K- och K2K-experimenten i Japan och MINOS i USA).

a, Förhållandet mellan masstillstånd (blå) och den svaga smaken (e, μ och τ; röd) hos neutrinoen beskrivs av tre verkliga blandningsvinklar ( θ 12, θ 23 och θ 13 ) och en komplex fas, δ CP, som inte visas här. b, Den massiva 14 000 ton NOvA-fjärrdetektorn som ligger djupt i en norra Minnesota-gruva. Bild: © REIDAR HAHN / FERMILAB

Bild i full storlek

De tre blandningsvinklarna ( θ 12, θ 23 och θ 13 ) definierar det sätt på vilket de svaga smakerna och olika masstillstånd är relaterade, med verkliga vinklar mellan dem (fig 1a) och en övergripande komplex fas (inte visad i diagrammet) ). Tecknet på fasen är motsatt för neutrinoer och deras spegel antimateriaversion - antineutrino. Om denna fas inte är noll, skulle detta vara en bra indikation på att naturen behandlar materien och antimatter olika på en grundläggande nivå. Så att mäta denna fasskillnad skulle ge en viktig ledtråd för att förstå frågan – antimateriell asymmetri i universum. Medan en liknande fasskillnad har uppmättts för den liknande blandningen bland kvarkar, är den inte på något sätt tillräckligt stor för att redogöra för asymmetri. Utmaningen i neutrinoxperiment är dock beroendet av blandningsvinklarna med varandra och även med andra parametrar som påverkar oscillations sannolikheten. De tidsutvecklande sannolikheterna medför ännu fler variabler i blandningen, ett beroende av neutrinoernas energi, avståndet de har rest och massskillnaden mellan de olika masstillstånden. Allt detta övervägt, det är ingen enkel prestation att ta bort alla dessa olika parametrar. Men med utgångspunkt från erfarenheterna med MINOS-experimentet är NOvA utformad för att ha bästa chans att ta bort detta röran.

Neutrinoerna vid huvudinjektorn (NuMI) vid Fermilab skapar en stråle av neutrinoer genom att magnetiskt fokusera förfallna π-mesoner producerade av protoner som kolliderar på ett grafitmål. Detta är världens mest intensiva, främst muon, neutrino beam och används av NOvA såväl som MINOS + och MINERvA experiment. NOvAs två jättedetektorer använder en flytande scintillator för att spåra skapandet av laddade partiklar som produceras i neutrino-interaktioner. Den laddade partikelinformationen används sedan för att rekonstruera den skyldige neutrinoens energi, vinkel och smak. Den närmaste detektorn, nära NuMI-källan, väger in på 300 ton, medan den avlägsna detektorn, 810 km bort i Minnesota, bryter vågen till 14 000 ton (fig. 1b). Den enorma detektorn är avgörande för att öka oddsen för att fånga en neutrino. Strålen avfyras inte direkt mot detektorerna utan i stället med en liten blickvinkel. Detta resulterar i en stråle där neutrino är närmare att vara mono-energisk vid en energi som maximerar sannolikheten för muon-neutrino oscillation, vilket förbättrar sökningen efter de mest kritiska parametrarna som definierar oscillationen.

NOvAs första resultat är lovande. Med endast 10% av de planerade uppgifterna i påsen, är det redan anpassat till de tre huvudvariablerna av intresse: det exakta värdet på blandningsvinkeln θ 23 och tecknet på massdifferensen mellan masstillstånd 2 och 3, annars känt som masshierarkin: som båda har mycket vikt vid den eventuella bestämningen av fasskillnaden, 5 CP, som definierar en fråga – antimateriell asymmetri. Resultaten överensstämmer med NOvA: s för närvarande mer exakta föregångare, MINOS och T2K, vilket antyder att θ 23 kan ha ett maximalt värde på cirka π / 4. Felet på de bästa passningsvärdena för antingen sin 2 θ 23 = 0, 44 eller 0, 59 domineras av 17% statistisk osäkerhet, jämfört med 6, 8% systematisk osäkerhet. Båda felkällorna kommer att minska när NOvA fortsätter att ta data, men dessa initiala resultat visar att NOvA är på rätt spår, med full statistik, för att ge tydlighet om θ 23 är maximal eller inte. NOvA ser också att elektronneutrinoer "dyker upp" från svängningen av muonneutrinoerna med tidiga resultat överens med andra accelerator- och reaktorexperiment. Kombinerade analyser av NOvA-, MINOS-, T2K- och reaktorresultat kommer säkert att följa snart och kommer att visa hur detta experiment redan flisas bort, exklusive möjliga värden för for CP . NOvA kanske kan bestämma 5 CP av sig själv om korten faller helt rätt, men det är troligt att bestämningen av detta viktiga nummer kommer att ske genom kombinerade analyser.

Experimentell partikelfysik tenderar att gå i cykler av upptäckt och precision. NOvA, i kombination med andra experiment som T2K 5 och Daya Bay 6, visar oss redan att de återstående upptäckterna i neutrinosvängningar närmar sig vid horisonten. Efter deras fotsteg byggs nästa precisionsgeneration av experiment: LBNF / DUNE 7 i USA och Hyper-Kamiokande 8 i Japan. Vem vet vilken exakt förståelse av dessa spöklika partiklar så småningom kommer att ge. Med en historia av oväntade överraskningar kan vi kanske vara med på några fler i en inte alltför avlägsen framtid.