Kelyje į tikslumą | gamtos fizika

Kelyje į tikslumą | gamtos fizika

Anonim

Dalykai

  • Eksperimentinė dalelių fizika

Pirmieji NOvA eksperimento rezultatai patvirtina tai, ką mes jau žinome apie neutrinų virpesius. Toliau rinkdami duomenis artėjame prie likusių nežinomų parametrų radimo.

NOvA yra ilgiausias eksperimentas Žemėje. Iš jo išmetamas neutrinų spindulys, einantis 810 km tarp Fermilabo, netoli Batavia, Ilinojaus valstijoje, ir detektoriaus kasykloje šiaurinėje Minesotos dalyje. Naujausi NOvA rezultatai 1, 2 patvirtina virpesius tarp trijų skirtingų neutrinų tipų. Nors tai nėra naujiena, didelis eksperimento dydis yra svarbus žingsnis atsakant į kai kuriuos didžiausius fizikos klausimus šiandien.

Neprižiūrima kvantinių dalelių, pavyzdžiui, neutrinų, bangų funkcija yra įvairių galimų būsenų, turinčių skirtingą tikimybę, visuma. Šios būsenos priklauso nuo dalelių sąveikos jėgų ar masių. Šiuo atžvilgiu yra trys galimi „skoniai“ (pavadinti elektronu, muonu ir tau), kuriuos neutrinas gali įgauti, sąveikaudamas per vienintelę jėgą, kurią gali: silpną branduolinę jėgą. Neutrinas yra žinomas kaip dalelių pasaulio vaiduoklis, nes pajutęs tik silpną branduolinę jėgą, jis turi labai mažą tikimybę sąveikauti su kitomis medžiagomis (tai yra, jo skerspjūvis yra labai mažas) - tiek, kiek Wolfgangas Pauli atsiprašė postuliuoti dalelės egzistavimą, kurios, jo manymu, niekas niekada negalėjo pastebėti. Sąveikos nebuvimas leidžia neutrinui egzistuoti kvantinėje superpozicijoje ilgą laiką, nes jis nukeliauja didelius atstumus.

Neutrino skoniai yra susiję, tačiau jokiu būdu neprilygsta masės būsenoms, kurios mažiau įsivaizduojamai vadinamos 1, 2 ir 3 (1a pav.). Skonių ir masės būsenų sąveika gali pasikeisti pagal Dirac lygtį, o neutrinams keliaujant keičiasi kiekvienos masės būsenos tikimybė ir galimai išmatuotas skonio pobūdis. Tai pirmą kartą patvirtino Japonijos superkamiokande eksperimentas 1998 m. 3 iš atmosferos neutrinų, kuriuos sukūrė kosminiai spinduliai, stebėjimų ir vėl 2001 m. SNO eksperimentas Kanadoje 4, stebėjęs saulės neutrinus. Nuo to laiko buvo stebimi neutrinų virpesiai branduolinių reaktorių neutrinuose (pvz., „Daya Bay“ eksperimentas Kinijoje ir „RENO“ Pietų Korėjoje) ir žmogaus sukeltų neutrinų pluoštai iš protonų greitintuvų (pvz., T2K ir K2K eksperimentai Japonijoje, o MINOS - JAV).

Image

a, Masės būsenų (mėlyna) ir silpno neutrino skonio (e, μ ir τ; raudona) santykis apibūdinamas trimis realiais maišymo kampais ( θ 12, θ 23 ir θ 13 ) ir sudėtinga faze, δ CP, kuris čia nerodomas. b ) Masyvus 14 000 tonų NOvA detektorius, esantis giliai šiaurinėje Minesotos kasykloje. Vaizdas: © REIDAR HAHN / FERMILAB

Visas dydis

Trys maišymo kampai ( θ 12, θ 23 ir θ 13 ) nusako silpnų skonių ir skirtingos masės būsenų tarpusavio ryšį, atsižvelgiant į realius kampus tarp jų (1a pav.) Ir bendrą sudėtingą fazę (diagramoje neparodyta). ). Fazės ženklas yra priešingas neutrinams ir jų veidrodiniam antimaterijos variantui - antineutrinams. Jei ši fazė nėra lygi nuliui, tai būtų geras požymis, kad pagrindiniame lygmenyje gamta skirtingai vertina materiją ir antimateriją. Taigi šio fazių skirtumo išmatavimas būtų svarbus užuomina suprasti materijos - antimaterijos asimetriją Visatoje. Nors panašus fazių skirtumas buvo išmatuotas panašiam maišymui tarp kvarkų, jis jokiu būdu nėra toks didelis, kad būtų galima atsižvelgti į asimetriją. Tačiau atliekant eksperimentus su neutrinu, iššūkis yra maišymo kampų tarpusavio priklausomybė ir tarpusavyje, ir taip pat su kitais parametrais, kurie turi įtakos virpesių tikimybei. Laiku besikeičiančios tikimybės atneša dar daugiau kintamųjų į mišinį, priklausomybę nuo neutrinų energijos, jų nuvažiuoto atstumo ir masės skirtumo tarp skirtingų masės būsenų. Visa tai įvertinus, nėra lengva išskleisti visus šiuos skirtingus parametrus. Tačiau remiantis „MINOS“ eksperimento patirtimi, „NOvA“ sukurta taip, kad turėtų kuo geresnę galimybę atsikratyti šios netvarkos.

Neutrinos pagrindiniame purkštuve (NuMI) Fermilab'e sukuria neutrinų pluoštą, magnetiškai sufokusuodami skilimo π mezonus, kuriuos sukuria protonai, susiduriantys ant grafito taikinio. Tai intensyviausias pasaulyje, daugiausiai muonų, neutrino pluoštas ir naudojamas NOvA, taip pat MINOS + ir MINERvA eksperimentams. Dviejuose NOvA detektoriuose naudojamas skystas scintiliatorius, kad būtų galima stebėti įkrautų dalelių, susidariusių per neutrinų sąveiką, susidarymą. Informacija apie įkrautas daleles naudojama kaltininko neutrino energijai, kampui ir skoniui atkurti. Netoli „NuMI“ šaltinio esantis detektorius sveria 300 tonų, o tolimasis detektorius, nutolęs 810 km Minesotoje, skaldo skalę, siekdamas 14 000 tonų (1b pav.). Didžiulis detektorius yra būtinas norint padidinti tikimybę sugauti neutriną. Sija nėra išleidžiama tiesiai į detektorius, o vietoj nedidelio žvilgsnio kampo. Tai lemia pluoštą, kuriame neutrinai yra arčiau monoenergetinės energijos, kuri maksimaliai padidina muono-neutrino virpesių tikimybę, sustiprindama kritinių parametrų, apibūdinančių virpesį, paiešką.

Pirmieji „NOvA“ rezultatai yra daug žadantys. Turint tik 10% suplanuotų duomenų maiše, jame jau naudojami trys pagrindiniai kintamieji: tiksli maišymo kampo reikšmė θ 23 ir masės skirtumo tarp 2 ir 3 būsenų ženklas, kitaip žinomas. kaip masės hierarchija: abi jos turi didelę reikšmę galutiniam fazių skirtumo nustatymui, δ CP, kuris nusako materijos ir antimaterijos asimetriją. Rezultatai sutinka su šiuo metu tikslesniais NOvA pirmtakais MINOS ir T2K, kurie rodo, kad θ 23 maksimali vertė gali būti maždaug π / 4. Labiausiai tinkančių sin 2 θ 23 = 0, 44 arba 0, 59 verčių paklaidai vyrauja 17% statistinis neapibrėžtis, palyginti su 6, 8% sisteminiu neapibrėžtumu. Abu klaidų šaltiniai sumažės, nes NOvA ir toliau imsis duomenų, tačiau šie pirminiai rezultatai rodo, kad NOvA eina kelyje su visa statistika, kad būtų aiškiau, ar θ 23 yra maksimalus, ar ne. NOvA taip pat mato elektronų neutrinų „pasirodymą“ nuo muono neutrinų virpesių, o ankstyvieji rezultatai sutinka su kitais greitintuvo ir reaktoriaus eksperimentais. Neabejotinai netrukus bus atlikta suderinta NOvA, MINOS, T2K ir reaktoriaus rezultatų analizė, kuri parodys, kaip šis eksperimentas jau suskaidytas, išskyrus galimas δ CP vertes. NOvA gali pats nustatyti δ CP, jei kortelės nukrypsta tiesiai, tačiau greičiausiai šis svarbus skaičius nustatomas atliekant kombinuotas analizes.

Eksperimentinė dalelių fizika yra linkusi į atradimo ir tikslumo ciklus. „NOvA“ kartu su kitais eksperimentais, tokiais kaip T2K 5 ir „Daya Bay 6“, jau rodo mums, kad horizonte artėjantys likę neutrinų virpesių atradimai. Po jų pėdomis kuriama tiksli eksperimentų karta: LBNF / DUNE 7 JAV ir Hyper-Kamiokande 8 Japonijoje. Kas žino, ką tiksliai duos supratimas apie šias vaiduokliškas daleles. Turėdami netikėtų siurprizų, artimiausioje ateityje galime sulaukti dar kelių.