Sterilné neutrína, Základy fyziky medzi vysvetleniami anomálnych výsledkov.

Nové vedecké poznatky potvrdzujú anomáliu pozorovanú v predchádzajúcich experimentoch, ktorá môže poukazovať na novú, zatiaľ potvrdenú elementárnu časticu, sterilné neutríno, alebo poukazovať na potrebu nového vysvetlenia aspektu Štandardná modelová fyzika, ako je prierez neutrín, ktorý bol prvýkrát zmeraný pred 60 rokmi. Los Alamos National Laboratory je vedúcou americkou inštitúciou spolupracujúcou na Baksanovom experimente o sterilných transformáciách (BEST), ktorého výsledky boli nedávno publikované v časopisoch. Fyzické kontrolné listy A fyzický prehľad c.

„Výsledky sú veľmi vzrušujúce,“ povedal Steve Elliott, hlavný analytik jedného z tímov vyhodnocujúcich údaje a člen fyzikálneho oddelenia v Los Alamos. „Toto určite potvrdzuje anomálie, ktoré sme videli v predchádzajúcich experimentoch. Čo to však znamená, nie je jasné. V súčasnosti existujú protichodné výsledky o sterilné neutrína. Ak výsledky naznačujú nepochopenie základnej jadrovej alebo atómovej fyziky, bolo by to tiež zaujímavé.“ Ďalšími členmi tímu Los Alamos sú Ralph Masarczyk a Enuk Kim.

Dokončený cieľ dvoch oblastí gália, ktorý sa nachádza hlboko pod zemou na observatóriu Baksan Neutrino Observatory v Kaukaze v Rusku, obsahuje vnútorný a vonkajší zásobník gália, ktoré je ožarované zdrojom elektrónových neutrín. Kredit: AA Shikhin

Viac ako míľu pod zemou na Baksan Neutrino Observatory v ruských Kaukazských horách 26 rádioaktívnych diskov chrómu 51, umelého rádioaktívneho izotopu chrómu a 3,4 megapikurického zdroja elektrónových neutrín, sa najlepšie používa na žiarenie vnútornej a vonkajšej nádrže gália, mäkký materiál , strieborný kov Aj v predchádzajúcich experimentoch, aj keď predtým sa používal v jednej nádrži. Reakciou medzi elektrónovými neutrínami chrómu 51 a gália vzniká izotop germánium 71.

Nameraná rýchlosť produkcie germánia-71 bola o 20-24 % nižšia, ako sa očakávalo na základe teoretického modelovania. Tento nesúlad je v súlade s anomáliami pozorovanými v predchádzajúcich experimentoch.

BEST je založený na solárnom neutrínovom experimente, sovietsko-americkom experimente s galliom (SAGE), ku ktorému bolo hlavným prispievateľom Národné laboratórium Los Alamos od konca 80. rokov 20. storočia. Tento experiment tiež využíval zdroje gália a neutrín s vysokou hustotou. Výsledky tohto experimentu a iných ukázali deficit elektrónových neutrín – rozpor medzi očakávanými a skutočnými výsledkami, ktorý sa stal známym ako „gálium anomália“. Vysvetlením deficitu by mohol byť dôkaz oscilácií medzi elektrónovými neutrínami a sterilnými neutrínovými stavmi.

Súbor 26 rádioaktívnych diskov chrómu-51 je zdrojom elektrónových neutrín, ktoré interagujú s gáliom a produkujú germánium-71 rýchlosťou, ktorú možno merať oproti očakávaným rýchlostiam. Kredit: AA Shikhin

Rovnaká anomália sa opakovala v najlepšom experimente. Možné vysvetlenia opäť zahŕňajú osciláciu v sterilnom neutríne. Hypotetická častica môže tvoriť významnú časť temnej hmoty, možnej formy hmoty, o ktorej sa predpokladá, že tvorí veľkú väčšinu fyzického vesmíru. Táto interpretácia môže vyžadovať ďalšie testovanie, pretože meranie pre každú nádrž bolo takmer rovnaké, aj keď menšie, ako sa očakávalo.

Ďalšie vysvetlenia anomálie zahŕňajú možnosť, že v teoretickom vstupe do experimentu došlo k nedorozumeniu – že samotná fyzika vyžaduje preformulovanie. Elliott poukazuje na to, že prierez elektrónového neutrína nebol predtým meraný pri týchto energiách. Napríklad teoretickým vstupom na meranie prierezu, ktorý je ťažké potvrdiť, je hustota elektrónov v atómovom jadre.

Metodológia experimentu bola starostlivo preskúmaná, aby sa zabezpečilo, že sa nevyskytnú chyby v aspektoch výskumu, ako je umiestnenie zdroja žiarenia alebo operácie počítacieho systému. Budúce iterácie experimentu, ak sa uskutočnia, môžu zahŕňať iný zdroj žiarenia s vyššou energiou, dlhším polčasom rozpadu a citlivosťou na kratšie vlnové dĺžky oscilácií.

Referencie:

„Výsledky Baksanovho experimentu o sterilných transformáciách (lepšie)“ V. V. Barinov a kol., 9. júna 2022, k dispozícii tu. Fyzické kontrolné listy.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.232501

„Hľadanie prechodov elektrón-neutrín do sterilných stavov v najlepšom experimente“ V. V. Barinov a kol., 9. júna 2022, k dispozícii tu. fyzický prehľad c.
DOI: 10.1103/ PhysRevC.105.065502

Financovanie: Ministerstvo energetiky, Vedecký úrad, Úrad jadrovej fyziky.