Een van de meest opwindende uitdagingen in de moderne natuurkunde is de identificatie van de ordening van de neutrinomassa. Natuurkundigen van de Cluster of Excellence PRISMA+ aan de Johannes Gutenberg University Mainz (JGU) spelen een leidende rol in een nieuwe studie die aangeeft dat de puzzel van de ordening van de massa van neutrino's in de komende jaren eindelijk kan worden opgelost. Dit zal te danken zijn aan de gecombineerde uitvoering van twee nieuwe neutrino-experimenten die in de pijplijn zitten:de upgrade van het IceCube-experiment op de Zuidpool en het Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO) in China. Ze zullen de natuurkundigen binnenkort toegang geven tot veel gevoeligere en aanvullende gegevens over de ordening van de neutrinomassa.

Neutrino's zijn de kameleons onder de elementaire deeltjes

Neutrino's worden geproduceerd door natuurlijke bronnen - in het binnenste van de zon of andere astronomische objecten, bijvoorbeeld, maar ook in grote hoeveelheden door kerncentrales. Echter, ze kunnen vrijwel ongehinderd door normale materie - zoals het menselijk lichaam - gaan zonder een spoor van hun aanwezigheid achter te laten. Dit betekent dat er extreem complexe methoden nodig zijn die het gebruik van massieve detectoren vereisen om de incidentele zeldzame reacties waar deze 'spookdeeltjes' bij betrokken zijn waar te nemen.

Neutrino's zijn er in drie verschillende soorten:elektron, muon- en tau-neutrino's. Ze kunnen van het ene type naar het andere veranderen, een fenomeen dat wetenschappers 'neutrino-oscillatie' noemen. Het is mogelijk om de massa van de deeltjes te bepalen uit waarnemingen van de oscillatiepatronen. Al jaren, natuurkundigen hebben geprobeerd vast te stellen welke van de drie neutrino's de lichtste en welke de zwaarste is. Prof. Michael Wurm, een fysicus bij het PRISMA+ Cluster of Excellence en het Institute of Physics bij JGU, die een belangrijke rol speelt bij het opzetten van het JUNO-experiment in China, legt uit:"We zijn van mening dat het beantwoorden van deze vraag aanzienlijk zal bijdragen aan het verzamelen van langetermijngegevens over de schending van de symmetrie tussen materie en antimaterie in de neutrinosector. met behulp van deze gegevens, we hopen voor eens en voor altijd uit te vinden waarom materie en antimaterie elkaar niet volledig hebben vernietigd na de oerknal."

Wereldwijde samenwerking loont

Beide grootschalige experimenten gebruiken zeer verschillende en complementaire methoden om de puzzel van de ordening van de neutrinomassa op te lossen. "Een voor de hand liggende benadering is om de verwachte resultaten van beide experimenten te combineren, " merkt prof. Sebastian Böser op, ook van het PRISMA+ Cluster of Excellence en het Institute of Physics van JGU, die onderzoek doet naar neutrino's en een belangrijke bijdrage levert aan het IceCube-experiment.

Zo gezegd zo gedaan. In het huidige nummer van het tijdschrift Fysieke beoordeling D , onderzoekers van de IceCube en de JUNO-samenwerking hebben een gecombineerde analyse van hun experimenten gepubliceerd. Voor deze, de auteurs simuleerden de voorspelde experimentele gegevens als functie van de meettijd voor elk experiment. De resultaten variëren afhankelijk van of de neutrinomassa's in hun normale of omgekeerde (omgekeerde) volgorde zijn. Volgende, de fysici voerden een statistische test uit, waarin ze een gecombineerde analyse toepasten op de gesimuleerde resultaten van beide experimenten. Dit onthulde de mate van gevoeligheid waarmee beide experimenten gecombineerd de juiste volgorde konden voorspellen, of liever de verkeerde volgorde uitsluiten. Omdat de waargenomen oscillatiepatronen in JUNO en IceCube afhankelijk zijn van de feitelijke volgorde van de neutrinomassa op een manier die specifiek is voor elk experiment, de combinatietest heeft een significant hoger onderscheidend vermogen dan de individuele experimentele resultaten. De combinatie maakt het dus mogelijk om binnen een meetperiode van drie tot zeven jaar de verkeerde volgorde van de neutrinomassa definitief uit te sluiten.

"In dit geval, het geheel is echt meer dan de som der delen, " concludeert Sebastian Böser. "Hier hebben we duidelijk bewijs van de effectiviteit van een complementaire experimentele benadering als het gaat om het oplossen van de resterende neutrino-puzzels." "Geen enkel experiment zou dit op zichzelf kunnen bereiken, of het nu de IceCube Upgrade is, JUNO of een van de andere die momenteel actief zijn, " voegt Michael Wurm toe. "Bovendien laat het gewoon zien wat neutrino-fysici hier in Mainz kunnen bereiken door samen te werken."