Podziemny eksperyment wskazuje na sterylne neutrino, nowy typ fundamentalnej cząstki związanej z ciemną materią

W kilku eksperymentach przeprowadzonych od lat 90. XX wieku badających neutrina znaleziono coś naprawdę dziwnego: na detektorach pojawiało się wiele cząstek. W fizyce cząstek elementarnych nawet niewielkie odchylenia od oczekiwanych wyników eksperymentalnych ekscytują naukowców. Teraz nowy eksperyment przeprowadzony głęboko pod ziemią, ponad dwa kilometry pod rosyjskimi górami Kaukazu, potwierdził obserwowaną wcześniej anomalię, wskazując na nową, niepewną cząstkę elementarną zwaną „sterylnym neutrinem”. Albo tak jest, albo nasza fizyka jest błędna, więc te wyniki są niezwykle istotne, niezależnie od wyniku.

Sterylne neutrina głęboko w Ziemi

neutrina Są one najobficiej występującymi cząstkami w przyrodzie, być może ustępującymi tylko fotonom, cząsteczkom światła. Nie możesz ich zauważyć, ale są wszędzie. W rzeczywistości w każdej sekundzie przez twoją rękę przechodzi około bilionów neutrin. Większość pochodzi ze Słońca, podczas gdy inne powstają w wyższych warstwach atmosfery, gdy promienie kosmiczne zderzają się z gazami z supernowych i innych wydarzeń w kosmosie.

Znane są trzy rodzaje lub smaki neutrin: neutrina elektronowe, mionowe i taonowe. Jednak wielu naukowców uważa, że ​​w cieniu kryje się czwarty smak, czekając na należne mu miejsce w rodzinie cząstek. Nazywane przede wszystkim neutrinami sterylnymi, jeśli istnieją, mogą pomóc rozwiązać wiele zagadek w fizyce, na przykład dlaczego neutrina mają masę, podczas gdy teoretycznie powinny być bezmasowe jak fotony. Sterylne neutrina — nazwane tak, ponieważ mają oddziaływać z innymi cząsteczkami wyłącznie za pomocą grawitacji, podczas gdy pozostałe trzy smaki również działają poprzez słabe oddziaływanie — mogą również wyjaśniać naturę ciemnej materii, niewidzialnej i nieuchwytnej materii, która stanowi 85% każdej materii we wszechświecie, chociaż nie możemy jej zmierzyć bezpośrednio.

Naukowcy związani z Baksan Experiment on Sterile Transformations (BEST), w skład którego wchodzą amerykańscy badacze z Los Alamos National Laboratory, wykorzystali radioaktywne dyski chromu-51 (syntetyczny radioaktywny izotop chromu) oraz potężne źródło neutrin elektronowych do promieniowania i na zewnątrz. Części zbiornika galu. W wyniku tej reakcji eksperyment wytworzył izotop germanu-71.

To było całkowicie oczekiwane, ale anomalią było to, że tempo produkcji było o 20-24% niższe niż sugerowała teoria. Uważa się, że metodologia eksperymentu jest bezbłędna, a ponadto rozbieżność jest taka sama, jak w przypadku innych poprzednich eksperymentów.

„Wyniki są bardzo ekscytujące” – powiedział Steve Elliott, starszy analityk w jednym z zespołów oceniających dane i członek wydziału fizyki w Los Alamos. „To z pewnością potwierdza anomalie, które widzieliśmy w poprzednich eksperymentach. Ale co to oznacza nie jest jasne. Istnieją obecnie sprzeczne wyniki dotyczące sterylnych neutrin. Jeśli wyniki wskazują, że podstawowa fizyka jądrowa lub atomowa została źle zrozumiana, byłoby to również interesujące ”.

Jednym z wcześniejszych eksperymentów z podobnymi wynikami, poprzedzającymi BEST, był eksperyment z neutrinami słonecznymi z lat 80. XX wieku, zwany SAGE (Sowiecko-Amerykański Eksperyment Galowy), który również wykorzystywał gal i źródło neutrin o dużej gęstości. Zarówno BEST, jak i SAGE zostały przeprowadzone tysiące metrów pod wejściem do tunelu w Obserwatorium Baksan Neutrino, położonym w wąwozie rzeki Baksan w górach Kaukazu w Rosji.

Detektory neutrin są zwykle zakopane głęboko pod Ziemią, aby chronić je przed interferencją z promieniowaniem kosmicznym i innym promieniowaniem, które mogłyby siać spustoszenie w eksperymencie, gdyby detektory zostały wykryte na powierzchni. Detektor neutrin nowej generacji o nazwie Deep Underground Neutrino Experiment lub DUNE jest obecnie budowany 48 kilometrów (30 mil) pod ziemią w Fermi National Accelerator Laboratory w Batavia, Illinois. Po zakończeniu będzie mógł wystrzeliwać wiązki neutrin przez płaszcz Ziemi.

Czy przegapiliśmy ciemną materię, ponieważ nasze rozumienie fizyki jest błędne?

Istnieje wiele powodów, dla których fizycy kochają neutrina. Zapewniają bezpośrednie połączenie między nami a jądrem Słońca, pozwalając naukowcom zajrzeć do wnętrza procesów syntezy jądrowej bez konieczności umieszczania detektorów w kosmosie. Ale chyba najbardziej interesującą rzeczą w neutrinach jest to, że oscylują one pomiędzy smakami, jak kameleony zmieniające kolor w odpowiedzi na otoczenie. Na przykład cząstka, która zaczyna się jako neutrino elektronowe, może przekształcić się w neutrino taonowe lub mionowe i na odwrót.

Luki w czasie tych oscylacji zarejestrowane przez eksperyment w Rosji i inne podobne eksperymenty przed nim sugerują, że brakuje nam czwartego posmaku. Ta hipotetyczna cząstka może być również ważnym składnikiem ciemnej materii.

Nie oznacza to jednak, że jedynym wytłumaczeniem jest czwarty rodzaj cząstki elementarnej. Wyniki eksperymentu wskazują również na intrygującą możliwość, że nasze obecne ramy teoretyczne opisujące neutrina są wadliwe. To wcale nie byłaby zła wiadomość. Nauka to praca w toku, w której status quo jest zawsze uzupełniany przekonującymi nowymi dowodami. W tym procesie establishment naukowy staje się silniejszy i bardziej wiarygodny, a także lepiej przygotowany do odpowiadania na coraz bardziej złożone pytania dotyczące przyrody.

Wyniki pojawiły się w Fizyczne listy kontrolne.