Znajdź zawartość

Badający neutrina fizycy z projektu MicroBooNE ogłosili, że udało im się ustalić przekrój czynny neutrino rozpraszanego na argonie. To niezwykle ważne wydarzenie, gdyż pozwoli na osiągnięcie zakładanych celów naukowych budowanemu właśnie olbrzymiemu wykrywaczowi neutrin DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment). Neutrina to niewielkie cząstki subatomowe, które z jednej strony wstępują niezwykle powszechnie, z drugiej zaś – bardzo trudno jest je zarejestrować. Poruszają się z prędkością bliską prędkości światła, w każdej sekundzie miliardy tych cząstek bombardują Ziemię i nasze organizmy. Te cząstki są tak małe, że neutrino mogłoby przelecieć przez ołowianą ścianę grubości roku świetlnego, nie zderzając się przy tym z żadnym atomem. Ich zarejestrowanie jest więc niezwykle trudne, a ich zrozumienie może ujawnić nam wiele sekretów wszechświata. W ramach eksperymentu MicroBooNE prowadzonego w słynnym Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) dane na temat neutrin gromadzone są od 2015 roku. Informacje te przydadzą się m.in. do skonstruowania eksperymentu DUNE. MicroBooNE i DUNE wykorzystują ciekłoargonowe komory projekcji czasowej (low-noise liquid-argon time projection chamber, LArTPC). To niezwykle skomplikowany wykrywacz, który rejestruje neutrina przelatujących przez zbiornik z ciekłym argonem o temperaturze -186 stopni Celsjusza. Neutrino jest rejestrowane, gdy wejdzie w interakcję z atomem argonu. MicroBooNE służy jako urządzenie testowe dla znacznie większego DUNE. DUNE będzie składał się z dwóch wykrywaczy neutrin. Jeden z nich będzie rejestrował interakcje neutrin w pobliżu źródła ich generowania. Źródłem tym będzie Main Injector w Fermilab. Niedaleko źródła znajdzie się pierwszy, mniejszy wykrywacz. Kolejny zaś jest budowany 1300 kilometrów dalej, w nieczynnej kopalni złota w miejscowości Lead w Dakocie Południowej. Powstaje tam gigantyczny zbiornik zawierający 40 000 ton ciekłego argonu. Urządzenia będą rejestrowały interakcje neutrin z atomami argonu. Jednak, aby naukowcy mogli wyciągnąć z uzyskanych danych odpowiednie wnioski, muszą jak najwięcej o tych interakcjach się dowiedzieć. Dlatego właśnie tak ważne są prace MicroBooNE. Najpowszechniej wykorzystywanymi tarczami w eksperymentach z neutrinami są żelazo, tlen (wchodzący w skład wody), węgiel (jako olej mineralny) i argon. Jako że komory LArTPC mają wiele zalet, naukowcy chcą jak najlepiej poznać interakcje argonu i neutrino. Przekrój czynny neutrino rozpraszanego na argonie pokazuje, jak argon reaguje na neutrino, z czym mamy do czynienia w MicroBooNE i DUNE. Naszym ostatecznym celem jest badanie neutrin, ale do tego potrzebujemy lepszego zrozumienia, w jaki sposób neutrina oddziałują z materiałem w wykrywaczach, takim jak np. atomy argonu, mówi Xin Qian z Brookhaven National Laboratory. Jednym z najważniejszych zadań stojących przed DUNE będzie badanie oscylacji neutrin pomiędzy neturino mionowym, elektronowym i taonowym. Naukowcy wiedzą, że oscylacje te zależą m.in. od energii neutrin. Ale określenie tej energii jest bardzo trudne. Zarówno dlatego, że same interakcje w jakie wchodzą neutrina są złożone, ale i w każdym strumieniu neutrin cząstki mają różną energię. Dopiero dokładne określenie przekroju czynnego w zależności od energii pozwoli na zdobycie najważniejszych informacji na temat oscylacji neutrin. Gdy poznamy przekrój czynny, będziemy mogli odwrócić obliczenia i – na podstawie olbrzymiej liczby interakcji – określić przeciętną energię, zapach i właściwości oscylacji neutrin, dodaje Wenquiang Gu, który stał na czele zespołu analityków z Brookhaven Lab. Ze szczegółami badań oraz uzyskanymi wynikami można zapoznać się na łamach Physical Review Letters. « 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