Wyniki eksperymentów głęboko pod ziemią potwierdzają anomalię: możliwa nowa fizyka fundamentalna

Neutrina sterylne, Podstawy fizyki wśród wyjaśnień wyników anomalnych.

Nowe odkrycia naukowe potwierdzają anomalię obserwowaną w poprzednich eksperymentach, która może wskazywać na nową, jeszcze potwierdzoną cząstkę elementarną, sterylne neutrino, lub wskazywać na potrzebę nowego wyjaśnienia aspektu Fizyka modeli standardowych, takich jak przekrój neutrin, który po raz pierwszy zmierzono 60 lat temu. Los Alamos National Laboratory jest wiodącą instytucją w Stanach Zjednoczonych współpracującą nad Eksperymentem Baksana na Transformacjach Sterylnych (BEST), którego wyniki zostały niedawno opublikowane w czasopismach. Fizyczne listy kontrolne A przegląd fizyczny c.

„Wyniki są bardzo ekscytujące” – powiedział Steve Elliott, starszy analityk w jednym z zespołów oceniających dane i członek wydziału fizyki w Los Alamos. „To z pewnością potwierdza anomalie, które widzieliśmy w poprzednich eksperymentach. Ale co to oznacza nie jest jasne. Obecnie istnieją sprzeczne wyniki dotyczące sterylne neutrina. Jeśli wyniki wskazują na niezrozumienie podstaw fizyki jądrowej lub atomowej, to również byłoby interesujące”. Inni członkowie zespołu z Los Alamos to Ralph Masarczyk i Enuk Kim.

Zlokalizowany głęboko pod ziemią w Baksan Neutrino Observatory w górach Kaukazu w Rosji, ukończony cel dwóch regionów galu, po lewej, zawiera wewnętrzny i zewnętrzny zbiornik galu, który jest napromieniowany przez źródło neutrin elektronowych. Źródło: AA Shikhin

Ponad milę pod ziemią w Baksan Neutrino Observatory w rosyjskich górach Kaukazu 26 radioaktywnych dysków chromu 51, sztucznego radioaktywnego izotopu chromu i źródła neutrin elektronowych o mocy 3,4 megapikurii, najlepiej nadaje się do wewnętrznego i zewnętrznego promieniowania galu, miękki materiał , srebrny metal Również w poprzednich eksperymentach, chociaż wcześniej był używany w jednym zbiorniku. W reakcji między neutrinami elektronowymi chromu 51 i galu powstaje izotop germanu 71.

Zmierzona szybkość produkcji germanu-71 była o 20-24% niższa niż oczekiwano na podstawie modelowania teoretycznego. Ta rozbieżność jest zgodna z anomaliami obserwowanymi w poprzednich eksperymentach.

BEST opiera się na eksperymencie z neutrinami słonecznymi, radziecko-amerykańskim eksperymencie galowym (SAGE), w którym Narodowe Laboratorium Los Alamos było głównym współautorem, począwszy od późnych lat 80-tych. W tym eksperymencie wykorzystano również źródła galu i neutrin o dużej gęstości. Wyniki tego eksperymentu i innych wskazują na deficyt neutrin elektronowych – rozbieżność między oczekiwanymi a rzeczywistymi wynikami, która stała się znana jako „anomalia galu”. Wyjaśnieniem tego deficytu mogą być oscylacje między stanami neutrin elektronowych i neutrin sterylnych.

Macierz 26 radioaktywnych dysków chromu-51 jest źródłem neutrin elektronowych, które oddziałują z galem i wytwarzają german-71 z szybkością, którą można zmierzyć w stosunku do oczekiwanych szybkości. Źródło: AA Shikhin

Ta sama anomalia powtórzyła się w najlepszym eksperymencie. Możliwe wyjaśnienia znowu obejmują oscylacje w sterylnym neutrinie. Hipotetyczna cząstka może stanowić znaczną część ciemnej materii, możliwej formy materii, która, jak się uważa, stanowi ogromną większość fizycznego wszechświata. Ta interpretacja może wymagać dalszych testów, ponieważ pomiar dla każdego zbiornika był prawie taki sam, choć mniejszy niż oczekiwano.

Inne wyjaśnienia anomalii obejmują możliwość nieporozumienia w teoretycznym wkładzie do eksperymentu – że sama fizyka wymaga przeformułowania. Elliott zwraca uwagę, że przekrój neutrina elektronowego nie był wcześniej mierzony przy tych energiach. Na przykład trudnym do potwierdzenia zapisem teoretycznym do pomiaru przekroju poprzecznego jest gęstość elektronowa w jądrze atomowym.

Metodologia eksperymentu została dokładnie przeanalizowana, aby upewnić się, że nie wystąpiły błędy w takich aspektach badań, jak umiejscowienie źródła promieniowania czy działanie systemu zliczającego. Przyszłe iteracje eksperymentu, jeśli zostaną przeprowadzone, mogą obejmować inne źródło promieniowania o wyższej energii, dłuższym okresie półtrwania i wrażliwości na krótsze długości fal oscylacji.

Bibliografia:

„Results of the Baksan Experiment on Sterile Transformations (Better)” VV Barinov i wsp., 9 czerwca 2022 r., Dostępne tutaj. Fizyczne listy kontrolne.
DOI: 10.1103/ PhysRevLett.128.232501

„Poszukiwanie przejść elektronowo-neutrinowych do stanów sterylnych w najlepszym eksperymencie” V. V. Barinov i wsp., 9 czerwca 2022 r., Dostępne tutaj. przegląd fizyczny c.
DOI: 10.1103/ PhysRevC.105.065502

Finansowanie: Katedra Energii, Biuro Nauki, Biuro Fizyki Jądrowej.