Fermilab buduje ostatni z wielkich detektorów, które mają znaleźć neutrino sterylne i fizykę poza MS
-
Similar Content
-
By KopalniaWiedzy.pl
Fizyka zajmuje się zróżnicowanym zakresem badań, od bardzo przyziemnych, po niezwykle abstrakcyjne. Koreańsko-niemiecki zespół badawczy, na którego czele stał Wenjing Lyu postanowił przeprowadzić jak najbardziej przyziemne badania, a wynikiem jego pracy jest artykuł pt. „Eksperymentalne i numeryczne badania piany na piwie”.
Naukowcy zajęli się odpowiedzią na wiele złożonych pytań dotyczących dynamiki tworzenia się piany na piwie, co z kolei może prowadzić do udoskonalenia metod warzenia piwa czy nowej architektury dysz, przez które piwo jest nalewane do szkła. Tworzenie się pianki na piwie to skomplikowana gra pomiędzy składem samego piwa, naczynia z którego jest lane a naczyniem, do którego jest nalewane. Naukowcy, browarnicy i miłośnicy piwa poświęcili tym zagadnieniom wiele uwagi. Autorzy najnowszych badań skupili się zaś na opracowaniu metody, która pozwoli najtrafniej przewidzieć jak pianka się utworzy i jakie będą jej właściwości.
Piana na piwie powstaje w wyniku oddziaływania gazu, głównie dwutlenku węgla, wznoszącego się ku górze. Tworzącymi ją składnikami chemicznymi są białka brzeczki, drożdże i drobinki chmielu. Pianka powstaje w wyniku olbrzymiej liczby interakcji chemicznych i fizycznych. Jest on cechą charakterystyczną piwa. Konsumenci definiują ją ze względu na jej stabilność, jakość, trzymanie się szkła, kolor, strukturę i trwałość. Opracowanie dokładnego modelu formowania się i zanikania pianki jest trudnym zadaniem, gdyż wymaga wykorzystania złożonych modeli numerycznych opisujących nieliniowe zjawiska zachodzące w pianie, czytamy w artykule opisującym badania.
Naukowcy wspominają, że wykorzystali w swojej pracy równania Reynoldsa jako zmodyfikowane równania Naviera-Stokesa (RANS), w których uwzględnili różne fazy oraz przepływy masy i transport ciepła pomiędzy tymi masami. Liu i jego zespół wykazali na łamach pisma Physics of Fluids, że ich model trafnie opisuje wysokość pianki, jej stabilność, stosunek ciekłego piwa do pianki oraz objętość poszczególnych frakcji pianki.
Badania prowadzono we współpracy ze startupem Einstein 1, który opracowuje nowy system nalewania piwa. Magnetyczna końcówka jest w nim wprowadzana na dno naczynia i dopiero wówczas rozpoczyna się nalewanie piwa, a w miarę, jak płynu przybywa, końcówka wycofuje się. Naukowcy zauważyli, że w systemie tym pianka powstaje tylko na początku nalewania piwa, a wyższa temperatura i ciśnienie zapewniają więcej piany. Po fazie wstępnej tworzy się już sam płyn. Tempo opadania piany zależy od wielkości bąbelków. Znika ona mniej więcej po upływie 25-krotnie dłuższego czasu, niż czas potrzebny do jej formowania się.
W następnym etapie badań naukowcy będą chcieli przyjrzeć się wpływowi końcówki do nalewania na proces formowania się piany i jej stabilność.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
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 -
By KopalniaWiedzy.pl
Po 10 latach analiz i wielokrotnego sprawdzania wyników, badacze z projektu CDF collaboration prowadzonego przez Fermi National Accelarator Laboratory (Fermilab) ogłosili, że dokonali najbardziej precyzyjnych pomiarów masy bozonu W, nośnika jednego z czterech podstawowych oddziaływań fizycznych. Uzyskane wyniki sugerują, że Model Standardowy powinien zostać poprawiony lub poszerzony.
Znamy cztery podstawowe oddziaływania fizyczne: grawitacyjne, słabe, elektromagnetyczne i silne. Bozon W jest nośnikiem oddziaływań słabych. Specjaliści z Fermilab, wykorzystując dane z Collider Detector at Fermilab (CDF) okreslili masę bozonu W z dokładnością do 0,01%. Pomiar jest dwukrotnie bardziej dokładny niż dotychczasowe. Po jego wykonaniu naukowcy wykorzystali nową wartość do przetestowania Modelu Standardowego.
Wprowadziliśmy olbrzymią liczbę poprawek i dodatkowych weryfikacji. Wzięliśmy pod uwagę nasze lepsze rozumienie samego wykrywacza cząstek oraz postępy w teoretycznym i eksperymentalnym rozumieniu interakcji bozonu W z innymi cząstkami. Gdy w końcu przeprowadziliśmy wszystkie obliczenia okazało się, że różnią się one od przewidywań Modelu Standardowego, mówi Ashutosh V. Kotwal z Duke University, który stał na czele grupy wykonującej obliczenia. Jest on jednym z 400 naukowców skupionych wokół CDF collaboration.
Nowe pomiary w wielu aspektach zgadzają się z wcześniejszymi pomiarami masy bozonu W, ale w niektórych są z nimi rozbieżne. Dlatego też konieczne będą kolejne badania. To bardzo intrygujące wyniki, ale do ich pełnego wyjaśnienie konieczne jest potwierdzenie w ramach innych eksperymentów, mówi zastępca dyrektora Fermilab, Joe Lykken.
Bozon W, nośnik oddziaływań słabych, jest m.in odpowiedzialny za procesy powodujące, że Słońce świeci, a cząstki się rozpadają. Fermilab, a którym działał niezwykle zasłużony dla nauki akcelerator Tevatron, dysponuje olbrzymią ilością danych zbieranych w latach 1985–2011. Pomiary CDF były prowadzone przez wiele lat. Wyniki tych pomiarów były ukryte w danych, które trzeba było szczegółowo przeanalizować. Gdy w końcu je uzyskaliśmy, byliśmy zdumieni, mówi fizyk Chris Hays z Uniwersytetu Oksfordzkiego.
Masa bozonu W jest około 80-krotnie większa od masy protonu i wynosi około 80 000 MeV/c2. Teraz naukowcy z Fermilab ją uściślili. Dzięki ich pracy wiemy, że wynosi ona 80 433 ± 9 MeV/c2. Wynik ten bazuje na badaniach 4,2 milionów bozonów W uzyskanych w Fermilab.
W ciągu ostatnich 40 lat eksperymenty w wielu akceleratorach pozwoliły na badanie bozonu W. To bardzo trudne, złożone pomiary, które cały czas są doprecyzowywane. Nam praca zajęła wiele lat. Dokonaliśmy najbardziej precyzyjnych pomiarów, dzięki czemu mogliśmy stwierdzić, że istnieje rozbieżność pomiędzy wartością zmierzoną, a oczekiwaną, mówi rzecznik CDF collaboration Giogrio Chiarelli z Włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej.
Najbardziej precyzyjne obliczenia masy bozonu W wykonane na podstawie Modelu Standardowego – w których wykorzystuje się pomiary masy kwarka górnego i bozonu Higgsa – dają wynik 80 357 ± 6 MeV/c2. Różnica pomiędzy teoretycznymi obliczeniami a wykonanymi pomiarami jest więc widoczna. Teraz autorzy kolejnych eksperymentów oraz fizycy teoretyczni powinni spróbować ją wyjaśnić. Jeśli różnica pomiędzy wynikiem eksperymentów a teoretycznymi obliczeniami jest spowodowana istnieniem jakiegoś nowego oddziaływania – a to tylko jedna z możliwości – to przyszłe eksperymenty powinny je wykryć.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
Poszukiwanie zjawisk fizycznych wykraczających poza Model Standardowy często wymaga dostępu do potężnych narzędzi, jak Wielki Zderzacz Hadronów, podziemnych wykrywaczy neutrin, ciemnej materii i egzotycznych cząstek. Urządzenia takie są niezwykle kosztowne w budowie i utrzymaniu, ich konstruowanie trwa przez wiele lat i jest ich niewiele, przez co ustawiają się do nich długie kolejki naukowców. Teraz dzięki naukowcom z Holandii może się to zmienić. Opracowali oni bowiem technikę więzienia i badania ciężkich molekuł w warunkach laboratoryjnych.
Ciężkie molekuły są świetnym obiektem do badań nad elektrycznym momentem dipolowym elektronu. Jednak dotychczas stosowane metody nie pozwalały na ich uwięzienie w warunkach niewielkiego laboratorium.
Standardowe techniki poszukiwania elektrycznego momentu dipolowego elektronu (eEDM) wykorzystują wysoce precyzyjną spektroskopię. Jednak by ją zastosować konieczne jest najpierw spowolnienie molekuł i schwytanie ich w pułapkę laserową lub elektryczną. Problem w tym, że do odkrycia zjawisk wykraczających poza Model Standardowy konieczne może okazać się przechwycenie molekuł zbyt ciężkich, by mogły uwięzić je lasery. Z kolei pułapki elektryczne pozwalają na przechwycenie ciężkich jonów, ale nie obojętnych elektrycznie molekuł.
Naukowcy z Uniwersytetu w Groningen, Vrije Universiteit Amsterdam oraz instytutu Nikhef rozpoczęli swoją pracę od stworzenie molekuł fluorku strontu (SrF), które powstały w wyniku reakcji chemicznych zachodzących w kriogenicznym gazie w temperaturze około 20 kelwinów. Dzięki niskiej temperaturze molekuły te mają początkową prędkość 190 m/s, podczas gdy w temperaturze pokojowej wynosi ona ok. 500 m/s. Następnie molekuły wprowadzane są do 4,5-metrowej długości spowalniacza Stark, gdzie zmienne pola elektryczne najpierw je spowalniają, a następnie zatrzymują. Molekuły SrF pozostają uwięzione przez 50 milisekund. W tym czasie można je analizować za pomocą specjalnego systemu indukowanego laserem. Pomiary takie pozwalają badać właściwości elektronów, w tym elektryczny moment dipolowy, dzięki czemu możliwe jest poszukiwanie oznak asymetrii.
Model Standardowy przewiduje istnienie eEDM, jednak ma on niezwykle małą wartość. Dlatego też dotychczas właściwości tej nie zaobserwowano. Obserwacja i zbadanie eEDM mogłyby wskazać na istnienie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy.
Molekuły SrF, którymi zajmowali się Holendrzy, mają masę około 3-krotnie większą niż inne molekuły badane dotychczas podobnymi metodami. Naszym kolejnym celem jest uwięzienie jeszcze cięższych molekuł, jak np. fluorku baru (BaF), który ma macę 1,5 raza większą od SrF. Taka molekuła byłaby jeszcze lepszym celem do pomiarów eEDM, mówi Steven Hoekstra, fizyk z Uniwersytetu w Groningen. Im bowiem cięższa molekuła, tym dokładniejszych pomiarów można dokonać.
Jednak możliwość uwięzienia ciężkich molekuł przyda się nie tylko do badania elektrycznego momentu dipolowego elektronu. Można dzięki temu przeprowadzać też zderzenia ciężkich molekuł przy niskich energiach, symulując warunki w przestrzeni kosmicznej. To zaś przyda się podczas badań interakcji na poziomie kwantowym. Hoekstra mówi, że wraz ze swoimi kolegami będą też pracowali nad zwiększeniem czułości pomiarów poprzez zwiększenie intensywności strumienia molekuł. Spróbujemy też uwięzić bardziej złożone molekuły, jak BaOH czy BaOCH3. Dodatkowo wykorzystamy naszą technikę do badania asymetrii w molekułach chiralnych, zapowiada.
« powrót do artykułu -
By KopalniaWiedzy.pl
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
-
-
Recently Browsing 0 members
No registered users viewing this page.