Znajdź zawartość

W Fermi National Accelerator Laboratory (Fermi Lab), jednej z najbardziej zasłużonych instytucji dla rozwoju fizyki cząstek, trwa właśnie budowa ostatniego z wielkich detektorów, który ma badać neutrino i szukać dowodów na istnienie fizyki poza Modelem Standardowym. Zespół detektorów powstaje w ramach Short-Baselina Neutrino Program. Projekt składa się ze źródła neutrin i trzech detektorów ustawionych w linii prostej. Short-Baseline Near Detector (SBND), którego budowa właśnie się rozpoczęła, znajdzie się 110 metrów za obszarem, w którym strumień protonów będzie uderzał w cel, generując strumień neutrin mionowych. W odległości 360 metrów za SBND znajduje się MicroBooNE. Urządzenie to rozpoczęło pracę już w 2015 roku. Za MicroBooNE, w odległości 130 metrów, stoi zaś ICARUS, który rozpocznie pracę jeszcze tej jesieni. Podróżujące przez przestrzeń neutrino podlega oscylacjom, zmienia się pomiędzy trzema różnymi rodzajami: neutrinem mionowym, taonowym i elektronowym. I właśnie te oscylacje mają badać SBND, MicroBooNE i ICARUS. Jeśli okazałoby się, że istnieje czwarty rodzaj neutrin lub też badane neutrina zachowywałyby się w inny sposób, niż obecnie się przewiduje, detektory powinny to wykryć i być może fizyka wyjdzie poza Model Standardowy. Czujniki detektora SBND będą zawieszone w zbiorniku z płynnym argonem. Gdy neutrino trafi do zbiornika i zderzy się z atomem argonu, powstaną liczne cząstki oraz światło. Zostaną one zarejestrowane przez czujniki, a analizy sygnałów pozwolą fizykom na precyzyjne odtworzenie trajektorii wszystkich cząstek powstałych w wyniku kolizji. Zobaczymy obraz, który pokaże nam olbrzymią liczbę szczegółów w bardzo małej kali. W porównaniu z wcześniejszymi eksperymentami otworzy nam się naprawdę nowe spektrum możliwości, mówi Anne Schukraft, koordynatorka techniczna projektu. Wewnątrz SBND znajdą się trzy wielkie elektrody. Dwie anody i katoda. Każda z nich będzie mierzyła 5x4 metry. Natężenie pola elektrycznego pomiędzy katodą a każdą z anod wyniesie 500 V/cm. Anody zostaną umieszczone na przeciwnych ścianach pomieszczenia w kształcie sześcianu. Będą one przechwytywały elektrony, a znajdujące się za nimi czujniki będą rejestrowały fotony. W środku detektora umieszczona zostanie folia spełniająca rolę katody. Zamontowano ją pod koniec lipca, a w najbliższych dniach ma zostać ukończony montaż pierwszej anody. Całość, gdy zostanie ukończona, będzie ważył ponad 100 ton i zostanie wypełniona argonem o temperaturze -190 stopni Celsjusza. Komora będzie znajdowała się w stalowym kriostacie o izolowanych ścianach, którego zadaniem będzie utrzymanie niskiej temperatury wewnątrz. Skomplikowany system rur będzie ciągle filtrował argon, by utrzymać go w czystości. SBND to przedsięwzięcie międzynarodowe. Poszczególne elementy systemy powstają w wielu krajach, przede wszystkim w USA, Wielkiej Brytanii, Brazylii i Szwajcarii. Schukraft przewiduje, że nowy detektor ruszy na początku 2023 roku. Gdy prace nad SBND się zakończą, detektor będzie pracował razem z MicroBooNE i ICARUSEM. Naukowcy chcą przede wszystkim poszukać dowodów na istnienie neutrina sterylnego, cząstki, która nie wchodzi w interakcje z oddziaływaniami słabymi. Już wcześniej, podczas eksperymentów prowadzonych w Liquid Scintillator Neutrino Detector w Los Alamos National Lab i MiniBooNE w Fermilab odkryto sygnały, które mogą wskazywać na istnienie takiej cząstki. Pomysł polega na tym, by umieścić detektor naprawdę blisko źródła neutrin, w nadziei, że uda się złapać ten typ neutrina. Następnie jest kolejny detektor, a dalej jeszcze jeden. Mamy nadzieję, że zobaczymy oscylacje sterylnego neutrina, wyjaśnia Rober Acciarri, współdyrektor prac nad budową detektorów. « powrót do artykułu

Anomalie w pomiarach neutrino doprowadziły w przeszłości do odkrycia, że cząstki te mają niezerową masę i oscylują pomiędzy trzema zapachami: mionowym, taonowym i elektronowym. W ubiegłym dziesięcioleciu zaobserwowano kolejne anomalie, na podstawie których wysunięto hipotezę o istnieniu neutrino sterylnego, czyli takiego, które nie oddziałuje za pomocą oddziaływań słabych, a jedynie za pośrednictwem grawitacji. Teraz, po wielu latach badań, opublikowano ostateczne wyniki eksperymentu STEREO dotyczącego antyneutrin. Autorzy badań wykluczyli możliwość istnienia neutrino sterylnego. Istnienie cząstki elementarnej o nazwie neutrino zaproponował Wolfgang Pauli w 1930 roku. Była ona potrzebna do wyjaśnienia, jak podczas rozpadu beta dochodzi do zachowania energii, pędu i momentu pędu. Neutrino to elektrycznie obojętny fermion, którego masa spoczynkowa jest tak mała, że przez długi czas sądzono, iż wynosi ona 0. Oddziałuje ono z innymi cząstkami za pomocą grawitacji i oddziaływań słabych. Cząstka została odkryta w 1956 roku. Obecnie znamy trzy rodzaje neutrino i wiemy, że cząstka podlega oscylacjom, zmieniają się ciągle pomiędzy tymi trzema rodzajami, zwanymi zapachami. Tę właściwość neutrin odkryto przed zaledwie dwiema dekadami. W 2011 roku coraz doskonalszy sprzęt pomiarowy wskazał na istnienie niezgodności pomiędzy obserwowanymi a przewidywanymi antyneutrinami wydostającymi się z reaktorów jądrowych. Ta niezgodność pomiarów z obliczeniami doprowadziła do pojawienia się hipotezy o istnieniu jeszcze jednego zapachu neutrino. Neutrino sterylne, które ma nie oddziaływać za pomocą oddziaływań słabych, mogło też wyjaśniać inne zjawiska fizyczne, których nie rozumiemy, takie jak ciemną materię. Przed sześciu laty w wysokostrumieniowym reaktorze badawczym w Instytucie Lauego-Langevina w Grenoble rozpoczęto program STEREO, którego celem było znalezienie neutrino sterylnego. Teraz niemiecko-francuski zespół badawczy ogłosił, że o ile anomalie w emisji neutrino przez reaktory występują, to ich przyczyną nie jest neutrino sterylne. W latach 2017–2020 zaobserwowaliśmy ponad 100 000 neutrin, ale nie znaleźliśmy wśród nich żadnego śladu neutrino sterylnego, stwierdzają autorzy badań. Warto w tym miejscu przypomnieć, że w Fermilab powstaje właśnie ostatni z wielkich detektorów, które mają znaleźć neutrino sterylne i fizykę poza Modelem Standardowym. « powrót do artykułu

Wyniki eksperymentu MicroBooNE nie przyniosły żadnych śladów istnienia neutrina sterylnego, poinformowali naukowcy z Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Neutrino sterylne to hipotetyczna cząstka, której istnienie byłoby dobrym wyjaśnieniem niektórych anomalii w prowadzonych eksperymentach. Jeśli uda się je znaleźć, byłoby to niezwykle ważne odkrycie, prowadzące do znaczących zmian w naszym rozumieniu fizyki. Nowe wyniki nie napawają jednak optymizmem. Międzynarodowy zespół naukowy pracujący przy eksperymencie MicroBooNE przeprowadził cztery dodatkowe analizy, a ich wyniki zaprezentował podczas seminarium. Wynik każdej z analiz jest taki sam – brak śladów istnienia neutrina sterylnego. Za to wszystko świetnie pasuje do Modelu Standardowego, który przewiduje istnienie trzech rodzajów neutrin. I tyle ich właśnie znamy. To bardzo solidne badania, które przeprowadziliśmy za pomocą różnych rodzajów interakcji, analiz i technik rekonstrukcji. Wszystkie dały taki sam wynik i wszystkie wskazują na brak śladów neutrino sterylnego, mówi profesor Bonnie Fleming z Yale Univerity. MicroBooNE to 170-tonowy wykrywacz neutrin, który działa od 2015 roku. W eksperyment zaangażowanych jest niemal 200 naukowców z 36 instytucji z 5 krajów. Wykorzystują najnowocześniejsze techniki do uzyskania trójwymiarowego obrazu reakcji z udziałem neutrin i badają cząstki biorące w nich udział. Neutrino to jedna z podstawowych cząstek natury. To najbardziej rozpowszechnione we wszechświecie cząstki. Są obojętne, niezwykle małe i rzadko wchodzą w interakcje z innymi cząstkami. Wiąże się z nimi wiele intrygujących kwestii fizycznych, dlatego są przedmiotem intensywnych badań. Jedno z pytań na ich temat brzmi, dlaczego mają tak małą masę i czy to one odpowiadają za przewagę materii nad antymaterią. Wyniki eksperymentu MicrBooNE to ważny element na drodze ku lepszemu zrozumieniu otaczającego nas świata. Skoro neutrino sterylne nie istnieje, fizycy muszą spróbować w inny sposób wyjaśnić obserwowane anomalie. W większym stopniu będą mogli skupić się na innych hipotezach próbujących je wyjaśnić, jak istnienie egzotycznej ciemnej materii czy niewyjaśnionych zjawisk fizycznych związanych z istnieniem bozonu Higgsa. Wykrywacz MicroBooNE korzysta z ponad 8000 czujników śledzących trasy cząstek. Umieszczono to w 170 tonach płynnego argonu. Neutrina wchodzą w interakcje z argonem, w wyniku czego powstają cząstki, które czujniki potrafią wychwycić. Dzięki temu możemy poznać szczegółowe trasy tych cząstek, a co najważniejsze – odróżnić fotony od elektronów. Podczas pierwszych trzech lat pracy urządzenia nie zarejestrowano nadmiaru elektronów, ale nie zauważono też nadmiaru fotonów, co mogło wskazywać na błędy w danych. Nie zauważyliśmy tego, co spodziewaliśmy się zaleźć. Ani elektronów, ani fotonów. Jednak dane nie są błędne. Tam dzieje się coś, co musimy wyjaśnić, mówi Sam Zeller, rzecznik prasowy eksperymentu. Dotychczas z 95-procentową pewnością wykluczono fotony jako jedyne źródło nietypowych danych, a elektrony jako jedyne wyjaśnienie zostały wykluczone z ponad 99-procentową pewnością. Naukowcom pozostała jeszcze połowa danych do przeanalizowania. Pracę zaczęli od najbardziej prawdopodobnych źródeł sygnałów. Teraz, skoro je wykluczono, pozostaje kilka innych możliwości. Być może pojawia się elektron i pozyton jednocześnie lub też dochodzi do jakiegoś zjawiska, w którym pojawia się m.in. foton. Początkowe analizy skupiały się na poszukiwaniu neutrino sterylnego. Nie można jednak wykluczyć, że naukowcy znajdą coś zupełnie innego, jak cząstki ciemnej materii czy hipotetyczny bozon Z'. A być może będzie to neutrino sterylne, które pojawia się w zupełnie nieoczekiwany sposób. MicroBooNE to jeden z wielu eksperymentów badających neutrina. Przy okazji jest to urządzenie testowe, które ma położyć podwaliny pod przyszłe detektory wykorzystujące technologię ciekłego argonu. Zbudowaliśmy i przetestowaliśmy sprzęt, stworzyliśmy całą infrastrukturę do przetwarzania olbrzymiej ilości danych. Przeprowadzamy symulacje, kalibracje, mamy algorytmy do rekonstrukcji, analiz strategii badawczych i automatyzacji analizy za pomocą maszynowego uczenia się. Nasza praca kładzie podwaliny pod przyszłe eksperymenty, wyjaśnia Justin Evans z University of Manchester. Technologia ciekłego argonu zostanie wykorzystana m.in. z detektorze ICARUS, który ma rozpocząć pracę za kilka tygodni i będzie stanowiło – wraz z MicroBooNE i SBND – komplet trzech uzupełniających się wykrywaczy. Trzeci element zestawu, który niedawno opisywaliśmy, Short-Baseline Near Detector (SBND), ma zaś ruszyć w 2023 r. SBND również będzie korzystał z ciekłego argonu, a wykrywacz będzie tak wydajny, że w ciągu miesiąca dostarczy więcej danych niż MicroBooNE przez dwa lata. W fizyce istnieje sporo ważnych pytań, na które brak odpowiedzi. Neutrina mogą nam powiedzieć, gdzie tych odpowiedzi szukać. sądzę, że jeśli chcemy zrozumieć wszechświat, musimy zrozumieć neutrino, mówi Bonnie Fleming. « powrót do artykułu