Fizycy wciąż nie potrafią wyjaśnić sygnałów znad Antarktydy. Cząstka spoza Modelu Standardowego?
-
Similar Content
-
By KopalniaWiedzy.pl
Fizycy z Niemiec i Ameryki Północnej poinformowali o planach wybudowania u wybrzeży Kanady największego na świecie obserwatorium neutrin. The Pacific Ocean Neutrino Experiment (P-ONE) ma rejestrować najbardziej energetyczne neutrina pochodzące z ekstremalnych zjawisk w Drodze Mlecznej.
Obserwatoria neutrin rejestrują promieniowanie Czerenkowa, które pojawia się, gdy neutrino przechodzące przez Ziemię trafi w jądro atomu, co powoduje powstanie szybko poruszających się cząstek. Obecnie największym tego typu urządzeniem jest opisywane przez nas IceCube, które korzysta z licznych fotodetektorów zawieszonych na linach, które są opuszczone głęboko w lód na Biegunie Południowym. Całość zajmuje 1 km3. W 2013 roku to właśnie IceCube zarejestrował pierwsze neutrino pochodzące spoza naszej galaktyki. Niedawno informowaliśmy o wykryciu tajemniczych sygnałów, które mogą doprowadzić do rewolucji w Modelu Standardowym.
Jak mówi Elisa Resconi w Uniwersytetu w Monachium, która stoi na czele P-ONE, wyniki uzyskane dotychczas przez IceCube dowodzą, że potrzebne są dodatkowe obserwatoria neutrin oraz rozbudowa samego IceCube. Stoimy w przededniu istnienia astronomii opartej o neutrino. Jeśli jednak będzie się ona opierała o jedno obserwatorium, to jej rozwój potrwa bardzo długo, być może całe dekady.
P-ONE ma składać się z 7 grup po 10 lin z czujnikami. Całość ma mieć objętość 3 km3. Dzięki temu, że będzie większe, obserwatorium będzie w stanie wyłapać rzadsze neutrina o większej energii. Będzie najbardziej czułe w zakresie dziesiątku teraelektronowoltów, podczas gdy IceCube jest w stanie zarejestrować neutrina o energiach rzędu pojedynczych TeV. P-ONE będzie obserwowało też inną część nieboskłonu, wyłapując głównie neutrina z południowej hemisfery. Częściowo jednak zakres prac obu obserwatoriów będzie się nakładał, zatem możliwa będzie niezależna weryfikacja obserwacji.
Nowe obserwatorium zostanie umieszczone na głębokości około 2,6 km, w Cascadia Basin około 200 kilometrów od wybrzeży Kolumbii Brytyjskiej. Jego budowniczowie chcą wykorzystać już istniejącą infrastrukturę. Znajduje się tam bowiem 800-kilometrowe okablowanie używane przez Ocean Networks Canada, które zasila i przesyła dane ze znajdujących się na dnie oceanu urządzeń badawczych.
Pierwsze eksperymenty w tym miejscu rozpoczęto w 2018 roku, kiedy to opuszczono dwie liny z czujnikami i stwierdzono, że wybrane miejsce ma odpowiednie właściwości optyczne do wykrywania neutrin. Obecnie P-ONE planuje opuszczenie dodatkowej stalowej liny zawierającej spektrometry, lidary i wykrywacze mionów. Pod koniec 2023 roku ma zostać zainstalowana pierwsza część obserwatorium, pierścień z 7 linami o długości kilometra każda. Jeśli to się uda, naukowcy zwrócą się z wnioskiem o grant w wysokości 50–100 milionów USD na dokończenie budowy obserwatorium. Koszty osobowe pochłoną kolejne 100 milionów USD.
Resconi ma nadzieję, że prace nad budową P-ONE zakończą się przed rokiem 2030, jednak przyznaje, że jest to plan bardzo ambitny. Główną niewiadomą jest działanie czujników w warunkach dużego ciśnienia, obecności soli i stworzeń morskich.
To nie pierwszy pomysł, by umieścić obserwatorium neutrin w morzu. Już w 2014 roku pracę miał rozpocząć umieszczony w Morzu Śródziemnym KM3NeT. Dotychczas udało się zainstalować jedynie 2 z 230 lin. Obecnie planuje się, że rozpocznie on pracę w 2026 roku. Z kolei u wybrzeży Francji powstaje jeszcze inny wykrywacz. Z planowanych 115 lin umieszczono dotychczas jedynie 6. Uruchomienie planowane jest na rok 2024.
Jak mówi Resconi, jedną z największych trudności w budowie obserwatoriów neutrin jest brak odpowiednio przeszkolonych fachowców. Fizycy wiele rzeczy robią samodzielnie. Na przykład zbudowane przez nich skrzynki, które służą do łączenia kabli na dnie morza, zawiodły. Uczona ma nadzieję, że dzięki doświadczeniu pracowników Ocean Networks Canada uda się uniknąć kolejnych błędów. Dzięki zespołowi 30–40 osób zajmujących się budową infrastruktury, fizycy mogą zająć się stroną naukową przedsięwzięcia.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Międzynarodowy zespół tropiący neutrina "nowej fizyki" skonfrontował dane ze wszystkich istotnych eksperymentów powiązanych z rejestracją neutrin z rozszerzeniami Modelu Standardowego proponowanymi przez teoretyków. Najnowsza analiza, pierwsza o tak kompleksowym zasięgu, ukazuje skalę wyzwań stojących przed poszukiwaczami prawoskrętnych neutrin, ale też niesie i iskierkę nadziei.
We wszystkich zaobserwowanych procesach z udziałem neutrin cząstki te wykazują się cechą nazywaną przez fizyków lewoskrętnością. Neutrin prawoskrętnych, będących naturalnym dopełnieniem Modelu Standardowego, nie widać nigdzie. Dlaczego? Na to pytanie pomaga odpowiedzieć najnowsza, wyjątkowo kompleksowa, analiza, przeprowadzona przez międzynarodową grupę fizyków, w tym z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Po raz pierwszy przy użyciu najnowocześniejszych metod statystycznych uwzględniono tu dane ze wszystkich istotnych eksperymentów pośrednio i bezpośrednio dedykowanych rejestrowaniu neutrin i skonfrontowano je z zakresami parametrów narzucanych przez różne rozszerzenia teoretyczne Modelu Standardowego.
Pierwszą cząstkę subatomową, elektron, zaobserwowano ponad 120 lat temu. Od tego czasu fizycy odkryli ich całe zoo. Bogactwo cegiełek natury wyjaśniono przy założeniu, że świat materii składa się z masywnych kwarków, występujących w sześciu odmianach, oraz znacznie mniej masywnych leptonów, także sześciu rodzajów. Do leptonów zakwalifikowano elektron, mion (o masie 207 razy większej od masy elektronu), taon (3477 mas elektronu) i odpowiadające im trzy rodzaje neutrin.
Neutrina niezwykle słabo oddziałują z resztą materii. Wykazują też inne cechy o szczególnym znaczeniu dla kształtu współczesnej fizyki. Niedawno odkryto, że cząstki te oscylują, czyli nieustannie przekształcają się z jednego rodzaju w inny. Zjawisko to oznacza, że obserwowane neutrina muszą mieć pewną (choć bardzo małą) masę. Tymczasem Model Standardowy, czyli współczesne narzędzie teoretyczne ze znakomitą dokładnością opisujące cząstki subatomowe, nie pozostawia alternatyw: w jego ramach neutrina nie mogą mieć masy! Ta sprzeczność między teorią a doświadczeniem jest jedną z najsilniejszych wskazówek przemawiających za istnieniem nieznanych cząstek subatomowych. Masa neutrin nie jest jednak ich jedyną zastanawiającą właściwością.
O obecności neutrin dowiadujemy się, obserwując produkty rozpadów różnych cząstek i porównując to, co zarejestrowaliśmy, z tym, co przewiduje teoria. Okazuje się, że we wszystkich procesach świadczących o obecności neutrin cząstki te zawsze miały tę samą skrętność: 1/2, czyli były lewoskrętne. To ciekawe, bo pozostałe cząstki materii mogą być zarówno lewo-, jak i prawoskrętne. Lecz nigdzie nie widać neutrin prawoskrętnych, o spinie -1/2! Jeśli nie istnieją, to dlaczego? A jeśli istnieją, gdzie się chowają? - pyta dr hab. Marcin Chrząszcz (IFJ PAN).
Artykuł międzynarodowego zespołu fizyków, właśnie opublikowany w czasopiśmie The European Physical Journal C, przybliża nas do odpowiedzi na powyższe pytania. Naukowcy z IFJ PAN, European Organization for Nuclear Research (CERN, Genewa), Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, Belgia), Monash University (Melbourne, Australia), Technische Universität München (Niemcy) i University of Amsterdam (Holandia) przeprowadzili jak do tej pory najdokładniejszą analizę danych zebranych w kilkunastu najbardziej wyrafinowanych eksperymentach z zakresu fizyki subatomowej, zarówno tych o charakterze ogólnym, jak też bezpośrednio dedykowanych obserwacjom neutrin (m.in. PIENU, PS-191, CHARM, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS).
Badacze nie ograniczyli się do samego zwiększenia liczby eksperymentów i ilości przetworzonych danych. W swojej analizie uwzględnili możliwość występowania hipotetycznych procesów proponowanych przez teoretyków, a wymagających obecności neutrin prawoskrętnych. Jednym z nich był mechanizm huśtawki, związany z neutrinami Majorany.
W 1937 roku Ettore Majorana zapostulował istnienie cząstki materii będącej własną antycząstką. Taka cząstka nie mogłaby mieć ładunku elektrycznego. Ponieważ z wyjątkiem neutrin wszystkie cząstki materii przenoszą ładunek elektryczny, nową cząstką może być właśnie neutrino.
Z teorii wynika, że jeśli neutrina Majorany istnieją, to może również istnieć mechanizm huśtawki. Powodowałby on, że gdy neutrina o jednej skrętności są mało masywne, to neutrina o skrętności przeciwnej muszą mieć bardzo duże masy. Skoro więc nasze neutrina, lewoskrętne, mają znikome masy, to w wersji prawoskrętnej musiałyby być masywne. To tłumaczyłoby, dlaczego ich dotychczas nie zobaczyliśmy - mówi dr hab. Chrząszcz i dodaje, że takie neutrina są jednym z kandydatów na ciemną materię.
Analiza, przeprowadzona z użyciem specjalistycznego pakietu open source GAMBIT, uwzględniała wszystkie aktualnie dostępne dane doświadczalne oraz zakresy parametrów przewidziane przez różne mechanizmy teoretyczne. Pod względem numerycznym była karkołomna. Sam mechanizm huśtawki powodował, że przy obliczeniach należało operować liczbami zmiennopozycyjnymi nie o podwójnej, a o poczwórnej precyzji. Ostatecznie objętość danych sięgnęła 60 TB. Analizę trzeba było przeprowadzić w najszybszym polskim klastrze obliczeniowym Prometheus, zarządzanym przez Akademickie Centrum Komputerowe Cyfronet Akademii Górniczo-Hutniczej.
Wyniki analizy, po stronie polskiej finansowanej z grantów Fundacji na rzecz Nauki Polskiej i Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej, nie napawają optymizmem. Okazało się, że mimo wielu eksperymentów i ogromnej ilości zgromadzonych danych, przestrzeń możliwych parametrów została spenetrowana w niewielkim stopniu.
Być może prawoskrętne neutrina odkryjemy w eksperymentach, które rozpoczną się lada chwila. Jeśli jednak będziemy mieć pecha i prawoskrętne neutrina kryją się w najdalszych zakamarkach przestrzeni parametrów, na ich odkrycie możemy poczekać nawet i sto lat - mówi dr hab. Chrząszcz.
Na szczęście pojawił się też cień nadziei. W danych wychwycono ślad potencjalnego sygnału, który można byłoby wiązać z prawoskrętnymi neutrinami. Na obecnym etapie jest on bardzo słaby i ostatecznie może się okazać tylko statystyczną fluktuacją. Lecz co by się stało, gdyby nią nie był?
W takim przypadku wszystko wskazuje na to, że prawoskrętne neutrina dałoby się zaobserwować już w następcy LHC, akceleratorze Future Circular Collider. FCC ma jednak pewną wadę: rozpocząłby pracę mniej więcej 20 lat od zatwierdzenia, do czego w optymalnym wariancie może dojść latem tego roku. Jeśli nie dojdzie, nim zobaczymy prawoskrętne neutrina, będziemy musieli się uzbroić we wręcz gigantyczną cierpliwość - podsumowuje dr hab. Chrząszcz.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Fizycy pracujący przy najbardziej czułym eksperymencie poszukującym ciemnej materii poinformowali o zarejestrowaniu nietypowych sygnałów. Istnieją trzy możliwe interpretacje tego, co zauważono. Ta najmniej interesująca, to wystąpienie zanieczyszczenia. Dwie alternatywne są za to bardzo ekscytujące. Pierwsza z nich mówi o nieznanych właściwościach neutrin. Druga zaś – i to byłaby największa sensacja – dopuszcza, że po raz pierwszy w historii zdobyto dowód na istnienie aksjonu, hipotetycznej cząstki spoza Modelu Standardowego.
Jesteśmy bardzo podekscytowani tym sygnałem, ale musimy uzbroić się w cierpliwość, powiedział Luca Grandi z University of Chicago, jeden z liderów eksperymentu XENON1T. Jak wyjaśnia uczony, najpierw trzeba sprawdzić, czy nie doszło do zanieczyszczeniem atomami trytu. Wykaże to następca eksperymentu XENON1T – XENONnT – który rozpocznie pracę jeszcze w bieżącym roku.
Wielu specjalistów zauważa, że zwykle prawdziwe okazuje się to wyjaśnienie, na które najmniej czekamy. Jednak nie zawsze tak jest i jeśli istnieje chociaż cień szansy, że XENON1T zarejestrował coś więcej niż zanieczyszczenie trytem, warto to sprawdzić.
Jeśli okaże się, że to nowa cząstka, będziemy mieli przełom, na który czekamy od 40 lat, stwierdza Adam Falkowski z Uniwersytetu Paris-Saclay. Takiego odkrycia nie da się przecenić, dodaje. Z kolei Kathryn Zurek, fizyczka-teoretyczka z California Institute of Technology mówi, że jeśli sygnały pochodzą z aksjonów, które są głównymi kandydatami na cząstki tworzące ciemną materię, lub z niestandardowych neutrin to będzie to niezwykle ekscytujące. Uczona pozostaje jednak ostrożna i dodaje, że jej zdaniem najbardziej prawdopodobne jest jednak zanieczyszczenie trytem.
XENON1T to wspólny projekt, przy którym pracuje 160 naukowców z Europy, USA i Bliskiego Wschodu. Laboratorium Narodowe Gran Sasso, którego właścicielem jest włoski Narodowy Instytut Fizyki Jądrowej, znajduje się na głębokości 1400 metrów pod masywem Gran Sasso. To wykrywacz ciemnej materii, a jego umiejscowienie głęboko pod ziemią ma chronić przed promieniowaniem kosmicznym generującym fałszywe sygnały. Zgodnie z teoretycznymi założeniami, cząstki ciemnej materii mają zderzać się z atomami w detektorze, a sygnały ze zderzeń będą rejestrowane.
Centralna część XENON1T to cylindryczny zbiornik o długości 1 metra wypełniony 3200 kilogramami płynnego ksenonu o temperaturze -95 stopni Celsjusza. Gdy ciemna materia zderzy się z atomem ksenonu, energia trafia do jądra, które pobudza jądra innych atomów. Wskutek tego pobudzenia pojawia się słaba emisja w zakresie ultrafioletu, którą wykrywają czujniki na górze i na dole cylindra. Te same czujniki są też zdolne do zarejestrowania ładunku elektrycznego pojawiającego się wskutek zderzenia. W ubiegłym roku informowaliśmy, że XENON1T zarejestrował najrzadsze wydarzenie we wszechświecie, rozpad ksenonu-124.
Obecnie XENON1T jest wyłączony, gdyż trwa jego rozbudowa do XENONnT. Nowy detektor będzie zawierał 3-krotnie więcej ksenonu i będzie lepiej zabezpieczony przed szumem tła. Dzięki temu jego czułość będzie o cały rząd wielkości lepsza.
Eksperymenty z serii XENON to pomysł fizyczki Eleny Aprile z Columbia University. Ona opracowała metody detekcji i od początku stoi na czele eksperymentów. XENON zostały zaprojektowane do poszukiwania hipotetycznych cząstek ciemnej materii o nazwie WIMP (weakly interacting massive particles). Przez 14 lat niczego nie znaleziono. Brak sukcesów odnotowały też konkurencyjne projekty naukowe.
Wiele lat temu naukowcy pracujący przy XENON zdali sobie sprawę, że mogą wykorzystać swój eksperyment do poszukiwań cząstek inną metodą. Zamiast rejestrować cząstki, które zderzą się z jądrem ksenonu, można spróbować wychwycić takie, które zderzają się z elektronem. Zwykle tego typu zderzenia traktowane są jako szum tła i odfiltrowywane, gdyż wiele z takich sygnałów pochodzi z prozaicznych źródeł, jak ołów czy krypton. Jednak z czasem uczeni coraz bardziej udoskonalali swoje urządzenia, eliminowali coraz więcej źródeł potencjalnych zakłóceń i w końcu eksperymenty XENON stały się tak czułe i dobrze izolowane od zakłóceń, że stwierdzono, iż szum tła również może przynieść interesujące informacje.
I właśnie na nim się teraz skupiono. Naukowcy przeanalizowali szum tła z pierwszego roku eksperymentu XENON1T. Spodziewali się, że w danych znajdą 232 sygnały zderzeń z elektronami, pochodzące ze znanych źródeł zanieczyszczeń. Tymczasem okazało się, że sygnałów takich jest 285. To spory naddatek świadczący o istnieniu nieznanego źródła sygnału.
Naukowcy przez rok trzymali swoje spostrzeżenie w tajemnicy. Przez ten czas próbowali zrozumieć sygnały i odnaleźć ich źródło. W końcu, po wyeliminowaniu wszystkich możliwych źródeł sygnału pozostały wspomniane na wstępie trzy wyjaśnienia, które pasują do nadmiarowych danych.
Pierwsze z nich, i najbardziej interesujące, to zarejestrowanie „słonecznych aksjonów”, hipotetycznych cząstek ciemnej materii powstających wewnątrz Słońca. To cząstki spoza Modelu Standardowego. Ich odkrycie byłoby dowodem, że aksjony istnieją, można więc znaleźć i te, które tworzą ciemną materię, jaka powstała po Wielkim Wybuchu.
Druga hipoteza mówi, że zarejestrowane sygnały mogą świadczyć o tym, iż neutrino mają silny moment magnetyczny. Właściwość ta pozwalałaby im zwiększać rozpraszanie elektronów, co tłumaczyłoby nadmiarowy sygnał. Neutrino z momentem magnetycznym również nie mieści się w Modelu Standardowym.
W końcu trzecia z możliwości, to zanieczyszczenie zbiornika z ksenonem śladową ilością trytu.
Zdaniem naukowców niezaangażowanych w XENON1T, najbardziej prawdopodobna jest ostatnia odpowiedź. Jeśli bowiem Słońce tworzy aksjony, to powstają one również w innych gwiazdach. Aksjony unoszą zaś ze sobą energię od gwiazdy. W najgorętszych gwiazdach, jak czerwone olbrzymy czy białe karły, produkcja aksjonów powinna być największa, a ilość unoszonej przez nie energii powinna być wystarczająca, by ochłodzić gwiazdy. Biały karzeł wytwarzałby tyle aksjonów, że nie obserwowalibyśmy tak wielu gwiazd tego typu, co obecnie, mówi Zurek. Podobnie wygląda problem z neutrino z dużym momentem magnetycznym. Również ono powinno ochłodzić gwiazdy, więc tych gorących nie powinno być tyle, ile jest.
Na odpowiedź nie powinniśmy długo czekać. Eksperyment XENONnT ruszy w najbliższych miesiącach. Jeśli i tam zaobserwujemy nadmiar sygnałów na podobnym poziomie, powinniśmy w ciągu kilku miesięcy być w stanie stwierdzić, która z hipotez jest prawdziwa, mówi Grandi.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Analiza danych z Wielkiego Zderzacza Hadronów wskazuje, że w LHC powstają podwójne pary kwark t/antykwark t. Najnowsze odkrycie jest pierwszym krokiem w kierunku przetestowania prawdziwości hipotezy mówiącej, że podwójne pary kwarków t pojawiają się częściej niż wynika to z Modelu Standardowego.
Kwarki t to najcięższe cząstki elementarne. Każdy z nich ma masę podobną do masy atomu wolframu. Jednocześnie, jako że kwarki t są znacznie mniejsze od protonu, oznacza to, iż są najgęstszą formą materii.
Kwarki t powstały podczas Wielkiego Wybuchu, jednak błyskawicznie się rozpadły. Obecnie możemy je uzyskiwać i badać jedynie w akceleratorach cząstek. Pierwsze kwarki t zostały odkryte w 1995 roku w akceleratorze Tevatron w Fermilab. Tevatron był wówczas najpotężniejszym akceleratorem na świecie i można w nim było uzyskać parę kwark t/antykwark t raz na kilka dni. Tevatron – najbardziej zasłużony dla nauki akcelerator cząstek – został wyłączony w 2011 roku, po uruchomieniu Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC).
LHC pracuje z 6,5-krotnie większymi energiami niż Tevatron, a do zderzeń dochodzi w nim około 100-krotnie częściej. Dzięki temu w urządzeniach ATLAS i CMS, będących częścią LHC, możliwe jest uzyskiwanie par kwark t/antykwark t co sekundę.
Niedawno naukowcy analizowali dane z eksperymentu ATLAS, by sprawdzić, jak często powstają podwójne pary kwark t/antykwark t. Model Standardowy przewiduje, że powinny one powstawać około 70 000 razy rzadziej niż pojedyncze pary kwark t/antykwark t.
Analizie poddano dane z eksperymentów ATLAS i CMS z lat 2015–2018. Okazało się, że w przypadku eksperymentu ATLAS pewność uzyskiwania tam podwójnych par kwarków t wynosi sigma 4.3, a w przypadku CMS jest to sigma 2.6. Dotychczas uważano, że w obu przypadkach wartość ta wynosi 2.6.
Sigma to miara pewności statystycznej. Fizycy cząstek mówią o odkryciu, gdy wartość sigma wynosi 5 lub więcej. Oznacza to bowiem, że prawdopodobieństwo, iż mamy do czynienia z przypadkową fluktuacją, a nie z prawdziwą obserwacją, wynosi 1:3500000. Wartość sigma 3 oznacza, że prawdopodobieństwo wystąpienia przypadkowej fluktuacji wynosi 1:740. Wówczas mówi się o dowodzie, wymagającym dalszych potwierdzeń obserwacyjnych. Osiągnięcie wartości 4.6 oznacza, że jesteśmy bardzo blisko potwierdzenia, że w LHC powstają podwójne pary kwarków t. A gdy już zostanie to potwierdzone, można będzie sprawdzić, czy częstotliwość ich powstawania jest zgodna z Modelem Standardowym.
« powrót do artykułu
-