Een internationale groep van meer dan 260 wetenschappers heeft een van de strengste tests voor het bestaan ​​van steriele neutrino's tot nu toe uitgevoerd. De wetenschappers van twee grote internationale experimentele groepen, MINOS+ bij het Department of Energy's Fermilab en Daya Bay in China, rapporteren resultaten in Fysieke beoordelingsbrieven het uitsluiten van oscillaties in één steriel neutrino als de primaire verklaring voor onverwachte waarnemingen van recente experimenten.

MINOS+ bestudeert de verdwijning van muonneutrino's geproduceerd door een Fermilab-versneller en zich voortplantend naar een ondergrondse detector in het noorden van Minnesota, 735 kilometer verderop. Daya Bay gebruikt acht identiek ontworpen detectoren om nauwkeurig te meten hoe elektronenneutrino's die worden uitgezonden door zes kernreactoren in China "verdwijnen" terwijl ze veranderen in andere typen.

Neutrino's zijn elementaire deeltjes die, zoals elektronen, niet op te splitsen in kleinere onderdelen. Ze zijn anders dan alle andere deeltjes waarvan bekend is dat ze bestaan, omdat ze in staat zijn om extreem grote hoeveelheden materie binnen te dringen zonder te stoppen. Als een neutrino vanaf het aardoppervlak naar zijn middelpunt wordt geschoten, er is een zeer grote kans dat het aan de andere kant intact tevoorschijn komt.

Er zijn drie soorten neutrino's bekend:elektron, muon en tau. Ongeveer twee decennia geleden, wetenschappers ontdekten dat ze van het ene type in het andere kunnen veranderen door een fenomeen genaamd "neutrino-oscillatie, " een ontdekking die in 2015 de Nobelprijs voor natuurkunde kreeg. een neutrino gecreëerd als een elektronentype dat door de ruimte reist, kan later worden geïdentificeerd als een muon- of tau-type.

Hoewel de overgrote meerderheid van de tot nu toe verzamelde gegevens kan worden verklaard door drie bekende neutrino's, een paar experimenten hebben afwijkende waarnemingen gerapporteerd die het bestaan ​​van extra typen suggereren. Hiertoe behoren het LSND-experiment in het Los Alamos National Laboratory en het MiniBooNE-experiment in Fermilab. Beiden stelden hun detectoren bloot aan een bundel muon-neutrino's en rapporteerden een overmaat aan kandidaat-elektronen-neutrino-gebeurtenissen boven wat zou worden verwacht van oscillaties waarbij alleen de drie bekende soorten neutrino's betrokken zijn. maar mogelijk verenigbaar als er een nieuw type neutrino - een steriel neutrino - bij betrokken was. Steriele neutrino's zouden niet direct detecteerbaar zijn, maar hun oscillatie met de drie bekende neutrino's zou een unieke weg bieden om hun bestaan ​​vast te stellen.

Echter, de nieuwe resultaten van Daya Bay en MINOS+ stellen deze mogelijkheid ter discussie als een verklaring voor de LSND- en MiniBooNE-resultaten.

"De inzet is hoog; als deze verleidelijke interpretatie van de afwijkende resultaten werd bevestigd, een revolutie in de natuurkunde zou volgen. Steriele neutrino's zouden de eerste deeltjes worden die buiten het standaardmodel worden gevonden, onze huidige beste theorie van elementaire deeltjes en hun interacties. Ze kunnen ook een kandidaat zijn voor donkere materie en belangrijke gevolgen hebben in de kosmologie, " zei Daya Bay-wetenschapper Pedro Ochoa-Ricoux, universitair hoofddocent natuurkunde en sterrenkunde aan UC Irvine.

"Deze nauwe samenwerking van MINOS+ en Daya Bay-wetenschappers maakte de combinatie mogelijk van twee complementaire wereldleidende beperkingen op muon-neutrino's en elektronen-antineutrino's die verdwijnen in steriele neutrino's, " zei Alexandre Sousa, universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Cincinnati en een van de MINOS+-wetenschappers die aan de analyse hebben gewerkt. Het verdwijnen van beide deeltjes moet plaatsvinden als elektronen (anti)neutrino's in een muon (anti)neutrinobron moeten verschijnen via steriele oscillaties met een enkel steriel neutrino. "Dus het gecombineerde resultaat is een zeer krachtige sonde van de steriele neutrino-hints die we tot nu toe hebben."

De metingen van de verdwijning van neutrino's door MINOS+ en Daya Bay zijn nu zo nauwkeurig dat ze de gecombineerde abnormale waarnemingen van LSND in wezen niet kunnen verklaren. MiniBooNE en andere experimenten uitsluitend door steriele neutrino-oscillaties, volgens Ochoa-Ricoux.

"We zouden allemaal heel blij zijn geweest om bewijs te vinden voor steriele neutrino's, maar de gegevens die we tot nu toe hebben verzameld, ondersteunen geen enkele vorm van oscillatie met deze exotische deeltjes, " hij zei.

De gecombineerde analyse gerapporteerd door Daya Bay en MINOS+ sloot niet alleen het specifieke soort steriele neutrino-oscillatie uit dat de afwijkende resultaten zou verklaren, maar zocht ook naar andere steriele neutrino-signaturen met nooit eerder bereikte gevoeligheid, wat tot op heden enkele van de strengste limieten voor het bestaan ​​van deze ongrijpbare deeltjes opleverde.

"De twee experimenten gebruiken meerdere detectoren met goed begrepen onzekerheden en hebben een ongekend groot aantal gebeurtenissen verzameld. Het vereisen van consistentie tussen de datasets van de twee experimenten biedt een zeer rigoureuze test van het bestaan ​​van steriele neutrino's, " zeiden MINOS+-woordvoerders, Jenny Thomas, professor aan het University College London, en Karol Lang professor aan de Universiteit van Texas in Austin.

"Deze gezamenlijke inspanning pakt zeer effectief een fundamenteel probleem in de natuurkunde aan, " zeiden Daya Bay-woordvoerders Kam-Biu Luk van het Lawrence Berkeley National Laboratory en UC Berkeley en Jun Cao van het Institute of High Energy Physics in Beijing. "Hoewel er nog steeds ruimte is voor een steriel neutrino dat op de loer ligt in de schaduw, we hebben de beschikbare schuilplaats aanzienlijk geslonken."