Jump to content
Forum Kopalni Wiedzy
Sign in to follow this  
KopalniaWiedzy.pl

Egzotyczne neutrina będzie trudno wywęszyć

Recommended Posts

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

Share this post


Link to post
Share on other sites

Create an account or sign in to comment

You need to be a member in order to leave a comment

Create an account

Sign up for a new account in our community. It's easy!

Register a new account

Sign in

Already have an account? Sign in here.

Sign In Now
Sign in to follow this  

  • Similar Content

    • By KopalniaWiedzy.pl
      Podczas ostatnich badań w CERN zdobyto dane, które – jeśli zostaną potwierdzone – będą oznaczały, że doszło do naruszenia Modelu Standardowego. Dane te dotyczą potencjalnego naruszenia zasady uniwersalności leptonów. O wynikach uzyskanych w LHCb poinformowano podczas konferencji Recontres de Moriond, na której od 50 lat omawia się najnowsze osiągnięcia fizyki oraz w czasie seminarium w CERN.
      Podczas pomiarów dokonywanych w LHCb porównywano dwa typy rozpadu kwarków powabnych. W pierwszym z nich pojawiają się elektrony, w drugim miony. Miony są podobne do elektronów, ale mają około 200-krotnie większą masę. Elektron, mion i jeszcze jedna cząstka – tau – to leptony, które różnią się pomiędzy sobą zapachami. Zgodnie z Modelem Standardowym, interakcje, w wyniku których pojawiają się leptony, powinny z takim samym prawdopodobieństwem prowadzić do pojawiania się elektronów i mionów podczas rozpadu kwarka powabnego.
      W roku 2014 zauważono coś, co mogło wskazywać na naruszenie zasady uniwersalności leptonów. Teraz, po analizie danych z lat 2011–2018 fizycy z CERN poinformowali, że dane wydają się wskazywać, iż rozpad kwarka powabnego częściej dokonuje się drogą, w której pojawiają się elektrony niż miony.
      Istotność zauważonego zjawiska to 3,1 sigma, co oznacza, iż prawdopodobieństwo, że jest ono zgodne z Modelem Standardowym wynosi 0,1%. Jeśli naruszenie zasady zachowania zapachu leptonów zostanie potwierdzone, wyjaśnienie tego procesu będzie wymagało wprowadzenie nowych podstawowych cząstek lub interakcji, mówi rzecznik prasowy LHCb profesor Chris Parkes z University of Manchester.
      Rozpad kwarka powabnego prowadzi do pojawienia się kwarka dziwnego oraz elektronu i antyelektronu lub mionu i antymionu. Zgodnie z Modelem Standardowym w procesie tym pośredniczą bozony W+ i Z0. Jednak naruszenie zasady uniwersalności leptonów wskazuje, że zaangażowana w ten proces może być jakaś nieznana cząstka. Jedna z hipotez mówi, że jest to leptokwark, masywny bozon, który wchodzi w interakcje zarówno z leptonami jak i z kwarkami.
      Co istotne, dane z LHCb zgadzają się z danymi z innych anomalii zauważonych wcześniej zarówno w LHCb, jak i obserwowanych od 10 lat podczas innych eksperymentów na całym świecie. Nicola Serra z Uniwersytetu w Zurichu mówi, że jest zbyt wcześnie by wyciągać ostateczne wnioski. Jednak odchylenia te zgadzają się ze wzorcem anomalii obserwowanych przez ostatnią dekadę. Na szczęście LHCb jest odpowiednim miejscem, w którym możemy sprawdzić potencjalne istnienie nowych zjawisk fizycznych w tego typu rozpadach. Musimy przeprowadzić więcej pomiarów.
      LHCb to jeden z czterech głównych eksperymentów Wielkiego Zderzacza Hadronów.Jego zadaniem jest badanie rozpadu cząstek zawierających kwark powabny.
      Artykuły na temat opisanych tutaj badań zostały opublikowane na stronach arXiv oraz CERN.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Zderzenia pomiędzy wysoko energetycznymi protonami po raz pierwszy pozwoliły na przyjrzenie się niezwykłym hiperonom. Zaliczane są one do cząstek dziwnych. To bariony zawierające co najmniej jeden kwark dziwny. Hiperony prawdopodobnie występują w jądrach gwiazd neutronowych, zatem ich badanie może sporo zdradzić na temat samych gwiazd oraz środowisk o tak ekstremalnie upakowanej materii.
      Hiperony są hadronami, czyli cząstek złożonych z co najmniej dwóch kwarków. Interakcje pomiędzy hadronami mają miejsce za pośrednictwem oddziaływań silnych. Niezbyt wiele wiemy o oddziaływaniach pomiędzy hadronami, a większość tej wiedzy pochodzi z badan, w których używane są protony i neutrony. Natura oddziaływań silnych powoduje, że bardzo trudno jest czynić w ich przypadku przewidywania teoretyczne. Trudno jest więc teoretycznie badać, jak hadrony oddziałują między sobą. Zrozumienie tych oddziaływań jest często nazywane „ostatnią granicą” Modelu Standardowego.
      Protony, neutrony i hiperony składają się z trzech kwarków. O ile jednak protony i neutrony zbudowane są wyłącznie z kwarków górnych i dolnych, to hiperony zawierają co najmniej jeden kwark dziwny. Badanie hiperonów daje nam zatem nowe informacje na temat oddziaływań silnych.
      Podczas badań naukowcy z CERN, pracujący przy eksperymencie ALICE, przyglądali się wynikom zderzeń wysoko energetycznych protonów, w wyniku których w otoczeniu miejsca kolizji pojawiają się „źródła” cząstek. Dochodzi do interakcji kwarków i gluonów, tworzących nowe cząstki. Powstają też pary hiperonów i protonów. Naukowcy, mierząc korelacje momentów pędu w takich parach zbierają informacje na temat sposobu ich interakcji.
      Interakcje takie można w ograniczonym stopniu przewidywać na podstawie modelowania zachowania kwarków i gluonów. Najnowsze badania wykazały, że przewidywania niemal idealnie zgadzają się z pomiarami.
      Ze szczegółami badań można zapoznać się na łamach Nature.

      « 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
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Pierwsze badania spektroskopowe monofluorku radu wskazują, że molekuła ta może zostać wykorzystana do bardzo precyzyjnych testów Modelu Standardowego. Autorzy badań – fizycy z CERN-u oraz laboratorium ISOLDE – twierdzą, że mogą one doprowadzić do ustalenia nowego górnego limitu elektrycznego momentu dipolowego elektronu, a to zaś może pozwolić w wyjaśnieniu, dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii.
      Spektroskopia atomowa i molekularna umożliwia przeprowadzenie niezwykle precyzyjnych pomiarów niektórych podstawowych właściwości elektronów i jąder atomowych. Takie pomiary pozwalają na stwierdzenie, czy dana cząstka pasuje do Modelu standardowego. Monofluorek radu to niezwykle interesująca molekuła, gdyż w niektórych jej wersjach izotopowych jądro radu jest bardzo niesymetryczne. Rozkład masy w nim ma kształt gruszki. Ta właściwość oraz sama wysoka masa radu oznaczają, że świetnie się nadaje do badania właściwości elektronów, w tym ich elektrycznego momentu dipolowego.
      Wiemy, że elektron posiada magnetyczny moment dipolowy, będący wynikiem posiadania spinu. W najprostszej wersji Modelu Standardowego parzystość T, czyli parzystość operacji odwrócenia czasu, zakazuje elektronom jednoczesnego posiadania elektrycznego momentu dipolowego. Jednak bardziej złożone wersje Modelu Standardowego dopuszczają, że elektrony posiadają elektryczny moment dipolowy, jednak jego wartość jest niezwykle mała. Jeśli udałoby się wykazać, że wartość ta jest znacząco większa od zakładanej, wskazywałoby to na istnienie fizyki poza Modelem Standardowym oraz oznaczałoby poważne złamanie symetrii we wczesnym wszechświecie, dzięki temu zaś moglibyśmy zrozumieć, dlaczego materii jest więcej niż antymaterii.
      Podczas najnowszych badań wykazano, że molekuły monofluorku radu można za pomocą lasera schłodzić do temperatur nieco tylko wyższych od zera absolutnego. A skoro tak, to można też dokonać niezwykle precyzyjnych pomiarów ich właściwości.
      Dlatego też ISOLDE, CERN i MIT już nawiązały współpracę, której celem jest precyzyjne określenie elektrycznego momentu dipolowego elektronów. Chcemy jeszcze bardziej zmniejszyć różnicę pomiędzy najbardziej precyzyjnymi pomiarami, a teoretycznie przewidywaną wartością momentu dipolowego. Wartość przewidywana przez Model Standardowy jest niezwykle mała i poza obecnym zasięgiem pomiarów. Doprecyzowując ją możemy przetestować teorie przewidujące znacznie wyższą wartość, mówi Gerda Neyens, z Uniwersytetu Katolickiego w Leuven, która stoi na czele laboratorium ISOLDE.

      « powrót do artykułu
    • By KopalniaWiedzy.pl
      Tajemnicze sygnały zarejestrowane nad Antarktydą nadal nie doczekały się wyjaśnienia, a opublikowany właśnie kolejny artykuł naukowy wskazuje, że sygnały te mogą pochodzić od cząstek spoza Modelu Standardowego. Coraz bardziej prawdopodobne staje się, że znaleziono coś, co nie pasuje do najbardziej rozpowszechnionej teorii fizycznej.
      Jak informowaliśmy przed dwoma laty w tekście zatytułowanym Tajemnicze sygnały wstrząsną współczesną fizyką?, w roku 2016 zależący do NASA Antarctic Impulsive Transient Antenna (ANITA), dryfujący nad Antarktyką balon z anteną wykrywającą promieniowanie kosmiczne, zarejestrował dwa impulsy promieniowania kosmicznego, które... pochodziły z Ziemi. Wówczas minęły 2 lata od wykrycia tych sygnałów, a nikt nie potrafił ich przekonująco wyjaśnić. Część naukowców już wtedy oceniała, że szansa, iż sygnały są zgodne z Modelem Standardowym wynosi 1/3.500.000.
      ANITA jest bowiem instrumentem, który jest w stanie wykryć neutrina o dużym przekroju czynnym, czyli o dużej energii. Urządzenie wykryło dwa sygnały pochodzące z Ziemi, co sugerowałoby, że wykryło neutrina, która przeszły przez planetę. Jednak neutrina o dużym przekroju czynnym nie przedostaną się przez Ziemię, zatem ANITA mogła wykryć nieznane dotychczas cząstki.
      Od czasu dokonania niezwykłego odkrycia przez ANITĘ wielu naukowców sugerowało, że może istnieć intensywne źródło neutrin. Być może spośród wielu wyemitowanych przezeń neutrin kilku udało się, mimo wszystko, przedostać przez Ziemię i zostały one zarejestrowane przez ANITĘ.
      Taki scenariusz postanowił sprawdzić Alex Pizzuto z University of Wisconsin-Madison i inni członkowie zespołu IceCube. IceCube wykorzystuje 5160 optycznych wykrywaczy neutrin. Gdy przechodzące przez lód neutrino wejdzie w interakcję z atomem wodoru lub tlenu, dochodzi do emisji sygnału, który IceCube wykrywa. IceCube jest znacznie bardziej czułe niż ANITA. Dlatego też naukowcy przejrzeli swoje archiwum danych, szukając w nich sygnału pochodzącego z potencjalnego źródła neutrin znajdującego się w kierunku, w którym sygnały zostały wykryte przez ANITĘ. Przeanalizowali dane z ośmiu lat, szukają podobieństw pomiędzy lokalizacją sygnałów zarejestrowanych przez ANITĘ, a lokalizacją sygnałów rejestrowanych przez IceCube.
      Wykorzystali przy tym trzy różne i uzupełniające się metody analizy danych, podczas których wzięli pod uwagę niewiadome związane z odkryciem dokonanym przez ANITĘ. Ponadto symulowali neutrina przechodzące przez Ziemię, by dowiedzieć się, ile z nich powinno ruszyć w drogę, by jedno mogło zostać wykryte przez ANITĘ. Takich samych obliczeń dokonali dla IceCube'a.
      Analizy pokazały, że w kierunku, z którego pochodziły sygnały zarejestrowane przez ANITĘ nie ma żadnego źródła neutrin. Jest to tym bardziej zaskakujące, że, ze względu na zjawisko znane jako regeneracja neutrin tau, wysokoenergetyczne neutrina, które nie mają szans dotrzeć do ANITY, wciąż powinny być wykrywane przez IceCube. Zjawisko to powoduje, że IceCube jest niezwykle przydatnym narzędziem do potwierdzania obserwacji dokonanych przez ANITĘ, gdyż na każdy anomalny sygnał wykryty przez ANITĘ IceCube powinno wykryć wielokrotnie więcej takich sygnałów. W tym przypadku nie wykrył niczego, mówi Anastasia Barbano z Uniwersytetu w Genewie.
      To zaś oznacza, że możemy odrzucić pomysł, iż sygnały pochodzą z intensywnego pojedynczego źródła, gdyż szansa, że sygnał taki zarejestruje ANITA, a nie zauważy go IceCube są bardzo małe, dodaje.
      Gdy ANITA zarejestrowała niezwykłe sygnały, wyjaśnienia ich pochodzenia można było pogrupować na trzy kategorie: istnienie intensywnego źródła neutrin, wystąpienie błędu w urządzeniu lub zarejestrowanie sygnału, którego nie opisuje Model Standardowy. Nasze analizy wykluczyły jedyne wyjaśnienie zgadzające się z Modelem Standardowym. Jeśli zatem sygnały są prawdziwe i nie pochodzą z błędów w urządzeniu, mogą one wskazywać na istnienie zjawiska fizycznego spoza Modelu Standardowego, mówi Pizzuto.

      « powrót do artykułu
  • Recently Browsing   0 members

    No registered users viewing this page.

×
×
  • Create New...