Een internationaal team dat 'nieuwe fysica'-neutrino's volgt, heeft de gegevens van alle relevante experimenten die verband houden met neutrino-detecties vergeleken met standaardmodeluitbreidingen die door theoretici zijn voorgesteld. De laatste analyse, de eerste met zo'n uitgebreide dekking, toont de omvang van de uitdagingen waarmee rechtshandige neutrinozoekers worden geconfronteerd, maar geeft ook een sprankje hoop.

Bij alle waargenomen processen waarbij neutrino's betrokken zijn, deze deeltjes vertonen een kenmerk dat door natuurkundigen wordt aangeduid als linkshandigheid. Rechtshandige neutrino's, die de meest natuurlijke uitbreiding van het standaardmodel zijn, zijn nergens te bekennen. Waarom? De laatste, uiterst uitgebreide analyse uitgevoerd door een internationale groep natuurkundigen, waaronder het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau helpt deze vraag te beantwoorden. Voor de eerste keer, gegevens van alle relevante experimenten, direct en indirect gewijd aan neutrino-detecties, werden opgenomen en gecontroleerd aan de hand van de reeksen parameters die werden opgelegd door verschillende theoretische uitbreidingen van het standaardmodel.

Het eerste subatomaire deeltje, het elektron, meer dan 120 jaar geleden werd waargenomen. Vanaf dat moment, natuurkundigen hebben er een hele reeks van ontdekt. De rijkdom van de bouwstenen van de natuur wordt verklaard vanuit de veronderstelling dat de wereld uit massieve quarks bestaat, voorkomend in zes smaken, en veel minder massieve leptonen, ook in zes smaken. Leptonen omvatten het elektron, het muon (met een gewicht van 207 keer de massa van het elektron), de tau (3477 keer de massa van een elektron) en de overeenkomstige drie soorten neutrino's.

Neutrino's hebben een extreem slechte wisselwerking met de rest van de materie. Ze vertonen ook andere kenmerken die van bijzonder belang zijn voor de vorm van de moderne natuurkunde. Onlangs is ontdekt dat deze deeltjes oscilleren, d.w.z. ze veranderen voortdurend van het ene type naar het andere. Dit fenomeen betekent dat de waargenomen neutrino's een bepaalde (hoewel zeer lage) massa moeten hebben. In de tussentijd, het standaardmodel, een modern theoretisch hulpmiddel dat subatomaire deeltjes met grote nauwkeurigheid beschrijft, laat geen alternatief:binnen zijn kader kunnen neutrino's geen massa hebben! Deze tegenstelling tussen theorie en ervaring is een van de sterkste aanwijzingen voor het bestaan ​​van onbekende subatomaire deeltjes. De massa van neutrino's, echter, is niet hun enige raadselachtige eigenschap.

"We leren over de aanwezigheid van neutrino's door de vervalproducten van verschillende deeltjes te observeren en te vergelijken wat we hebben geregistreerd met wat de theorie voorspelt. Het blijkt dat in alle gevallen die wijzen op de aanwezigheid van neutrino's, deze deeltjes hadden altijd dezelfde heliciteit:1/2, d.w.z. ze waren linkshandig. Dit is interessant omdat andere materiedeeltjes zowel positieve als negatieve spin kunnen hebben. Maar er zijn geen rechtshandige neutrino's te zien! Als ze niet bestaan, waarom dan niet? En als ze dat doen, waar verstoppen ze zich?”, vraagt ​​Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

Een artikel dat zojuist is gepubliceerd in de Europees fysiek tijdschrift C door een internationaal team van natuurkundigen brengt ons dichter bij het beantwoorden van bovenstaande vragen. Wetenschappers van IFJ PAN, de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek—CERN, Université catholique de Louvain (Louvain-la-Neuve, België), Monash Universiteit (Melbourne, Australië), Technische Universität München (Duitsland) en Universiteit van Amsterdam (Nederland)) hebben de meest nauwkeurige analyse tot nu toe uitgevoerd van de gegevens die zijn verzameld in meer dan een dozijn van de meest geavanceerde experimenten in subatomaire fysica, zowel die van algemene aard als die welke rechtstreeks zijn gewijd aan het observeren van neutrino's (inclusief PIENU, PS-191, CHARME, E949, NuTeV, DELPHI, ATLAS, CMS).

De onderzoekers beperkten zich niet tot het louter vergroten van het aantal experimenten en de hoeveelheid verwerkte data. In hun analyse ze overwogen de mogelijkheid van hypothetische processen voorgesteld door theoretici die de aanwezigheid van rechtshandige neutrino's vereisen. Een daarvan was het wipmechanisme dat wordt geassocieerd met Majorana-neutrino's.

1937, Ettore Majorana postuleerde het bestaan ​​van een materiedeeltje dat zijn eigen antideeltje is. Zo'n deeltje kan geen elektrische lading hebben. Omdat alle materiedeeltjes een elektrische lading dragen, behalve neutrino's, het nieuwe deeltje kan een neutrino zijn.

"De theorie suggereert dat als Majorana-neutrino's bestaan, er kan ook een wipmechanisme zijn. Dit zou betekenen dat wanneer neutrino's met één heliciteitstoestand niet erg massief zijn, dan moeten neutrino's met de tegenovergestelde heliciteit zeer grote massa's hebben. Dus, als onze neutrino's die linkshandig zijn een zeer lage massa hebben, als het Majorana-neutrino's zouden zijn, in de rechtshandige versie zouden ze enorm moeten zijn. Dit zou verklaren waarom we ze nog niet hebben gezien, " zegt Dr. Chrzaszcz, en voegt eraan toe dat enorme rechtshandige neutrino's een van de kandidaten zijn voor donkere materie.

De laatste analyse, uitgevoerd met behulp van het gespecialiseerde open source GAMBIT-pakket, rekening gehouden met alle momenteel beschikbare experimentele gegevens en parameterbereiken die door verschillende theoretische mechanismen worden geleverd. Cijfermatig was het zeer belastend. Het wipmechanisme zelf betekende dat de berekeningen drijvende-kommagetallen moesten gebruiken, niet van dubbele, maar met viervoudige precisie. uiteindelijk, het datavolume bereikte 60 TB. De analyse moest worden uitgevoerd in het snelste Poolse rekencluster Prometheus, beheerd door het Academisch Computercentrum Cyfronet van de AGH University of Science and Technology.

De resultaten van de analyse, aan Poolse zijde gefinancierd uit subsidies van de Foundation for Polish Science en het National Agency for Academic Exchange, wekt geen optimisme. Het bleek dat ondanks vele experimenten en een enorme hoeveelheid verzamelde data, de mogelijke parameterruimte is slechts in geringe mate doorgedrongen.

"Misschien vinden we rechtshandige neutrino's in experimenten die op het punt staan ​​te beginnen. als we pech hebben en rechtshandige neutrino's zich verschuilen in de verste uithoeken van de parameterruimte, we moeten misschien wel honderd jaar wachten op hun ontdekking, " zegt dr. Chrzaszcz.

Gelukkig, er is ook een schaduw van hoop. Een spoor van een potentieel signaal werd vastgelegd in de gegevens die kunnen worden geassocieerd met rechtshandige neutrino's. In dit stadium is het erg zwak en uiteindelijk kan het slechts een statistische fluctuatie blijken te zijn. Maar wat zou er gebeuren als dat niet zo was?

"In dit geval, alles wijst erop dat het in de opvolger van de LHC al mogelijk zou zijn om rechtshandige neutrino's waar te nemen, de toekomstige circulaire botser. Echter, de FCC heeft een bepaald nadeel:het zou ongeveer 20 jaar na goedkeuring beginnen te werken, die in het beste geval pas volgend jaar kan plaatsvinden. Als dat niet zo is, we zullen ons met veel geduld moeten bewapenen voordat we rechtshandige neutrino's zien, " concludeert Dr. Chrzaszcz.