MicroBooNE-experimentet gjorde en upptäckt som nu tolkas om

 

Bild https://news.ku.edu  I det internationella MicroBooNE-experimentet används en 170-tons detektor placerad i Fermilabs neutrinostrålfångare. Experimentet studerar neutrinointeraktioner och har inte funnit några tecken på en i teorin existerande fjärde neutrino kallad steril neutrino. Källa: Reidar Hahn, Fermilab 

Fermilab grundades 1967  och är USA:s ledande laboratorium för partikelfysik och acceleratorer, beläget i Batavia, Illinois, där forskare undersöker materiens, energin, rummets och tidens grundläggande mysterier genom avancerade acceleratorer och experiment, samt driver forskning inom kvantinformation och annan teknologi med syftet att utforska universum.

Partikelfysiker som arbetar vid MicroBooNE-experimentet vid Fermilab National Accelerator Laboratory har funnit bevis mot existensen av en "steril" typ av neutrino. Steril neutrino har antagits vara ansvariga för tidigare experiments anomala resultat vilket beskrivs i en artikel publicerad i Nature.

För Maria Brigida Brunetti, biträdande professor vid institution för fysik och astronomi vid University of Kansas, som var medförfattare till resultatet, finslipar resultaten i den pågående jakten av att förklara tidigare anomalier i experimentella data  där en ledande tolkning var att de tre kända neutrinotyperna (Elektronneutrino, Myonneutrino, Tauon-neutrino) inte representerar den fullständiga beskrivningen av dessa rikligt förekommande partiklar (som är grundläggande byggstenar av verkligheten, enligt standardmodellen för partikelfysik).

 "Experimentet är en del av en bred internationell satsning på att studera neutriner," beskriver Maria Brigida Brunetti De är de näst mest förekommande partiklarna efter ljuset. De tar sig igenom genom allt; De färdas genom oss tiotals biljoner av dem passerar genom din kropp varje sekund men du märker dem inte eftersom de knappt interagerar alls då de kan bara interagera genom den svaga kärnkraften och gravitationskrafter."

På grund av hur lite de interagerar är neutriner bland de minst förstådda partiklarna, vilket är anledningen till att det internationella partikelfysiksamfundet investerar mycket för att studera dem.

"En av deras märkliga egenskaper är att det finns tre typer av dem som kallas smaker och när de färdas förvandlas de mellan varandra," beskriver Brunetti. "Detta fenomen kallas neutrino-oscillation."

I MicroBooNE- experimentet och andra nuvarande och framtida experiment studeras dessa svängningar genom att fånga neutriner och leta efter skillnader från teoretiska  förutsägelser.

 "Eftersom neutriner bara interagerar svagt måste vi producera många av dem i intensiva strålar för att några av dem ska interagera i våra detektorer innehållande flytande argon-tidsprojektion (LArTPC)," beskriver Brunetti. "Dessa detektorer gör det möjligt för oss att fånga mycket högupplösta representationer av partikelinteraktioner. I detektorn interagerar neutrinerna med de flytande argonatomerna och producerar laddade partiklar. När dessa partiklar färdas igenom argonet tar de argonatomer från elektroner. Vi sätter ett elektriskt fält i detektorn och  dessa elektroner driver mot avläsningselementen där vi samlar in signalen."

"Utifrån informationen på vilka ledningar eller pixlar som träffades av de lösdrivna elektronerna och från elektronernas ankomsttid kan du bygga 2D-bilder eller 3D-representationer," beskriver Brunetti. "De bilderna är högupplösta  och  interaktionen kan  ses i mycket hög detaljrikedom. Vi utvecklar sedan avancerad mjukvara, som Pandora-händelserekonstruktionen som KU-gruppen är expert på vilken visar  vad de ser i bilderna. Till exempel, om neutrinon interagerade, vilka partiklar som uppstod ur interaktionen och vad producerade de olika signalerna och deras energier, vilket möjliggör analys av stora och komplexa datamängder."

Enligt KU-forskaren studerade MicroBooNE om det är möjligt att neutriner också transformeras till en fjärde steril typ, vilket kan ha förklarat de tidigare oväntade resultaten.

"Sterila neutriner skulle därför bara känna av en av  gravitationen. Experimentet letade efter ny fysik," beskriver Brunetti. "Men om det var så att det fanns en fjärde typ av neutrino som vi ännu inte känner till, skulle det ha förändrat vad vi såg i vårt experiment. Istället bekräftade inte MicroBooNE de avvikelser som de tidigare MiniBooNE- och LSND-experimenten observerat och uteslöt flera möjliga förklaringar till tidigare resultat inklusive en i termer av oscillationer av en steril neutrino."

Brunetti beskriver att resultaten i stort sett uteslöt existensen av en steril neutrino som förklaring till dessa avvikelser. Även om mysterierna kring de avvikande uppgifterna kvarstår, enligt Brunetti.

Brunettis grupp vid KU, som främst är involverad i det pågående Short-Baseline Neutrino (SBN)-programmet vid Fermilab och det framtida Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), rekonstruerar och tolkar LArTPC-data. Detta gör det möjligt för forskarna att bestämma neutrino-smaken och mäta dess energi för att studera fenomenet oscillation. Forskningen fortsätter.