De Daya Bay Reactor Neutrino Experiment-samenwerking - die acht jaar geleden een nauwkeurige meting deed van een belangrijke eigenschap van neutrino's, de weg bereiden voor een nieuwe ronde van experimenten en ontdekkingen over deze moeilijk te bestuderen deeltjes - is klaar met het verzamelen van gegevens. Hoewel het experiment formeel wordt stopgezet, de samenwerking zal de volledige dataset blijven analyseren om de nauwkeurigheid van bevindingen op basis van eerdere metingen te verbeteren.

Het experiment verzamelde binnen de eerste 55 dagen van het experiment voldoende gegevens om begin maart 2012 een belangrijke ontdekking aan te kondigen. Om dit succes en de daaropvolgende successen te vieren, de Daya Bay-samenwerking en functionarissen van het wetenschapsbureau zullen op 12 december deelnemen aan een ceremonie, om het einde van de activiteiten op de site te markeren (zie details van het evenement hieronder).

Internationale samenwerking maakt het succes van experimenten mogelijk

Werkend in een spelonkachtige ondergrondse ruimte met daarin een reeks grote, trommelachtige deeltjesdetectoren ondergedompeld in grote plassen water in Guangdong, China, het experiment werd gebouwd door een internationale inspanning die een eerste in zijn soort gelijke samenwerking kenmerkte in een groot natuurkundig project tussen de VS en China. Het in Peking gevestigde Institute of High Energy Physics (IHEP) van de Chinese Academie van Wetenschappen leidt de rol van China in de samenwerking, terwijl het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (Berkeley Lab) en het Brookhaven National Laboratory (Brookhaven Lab) samen de Amerikaanse deelname leiden.

"We zijn zo blij om het succes van het experiment te zien, die belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen heeft gedaan, " zei Yi-Fang Wang, een voormalige woordvoerder van de Daya Bay-samenwerking die nu directeur is van IHEP. "De samenwerking is echt internationaal, en de lessen die we hier hebben geleerd, zijn van onschatbare waarde. We kijken uit naar andere samenwerkingen in de toekomst."

IHEP hield toezicht op de bouw van de experimentele site en de helft van de Daya Bay-detectoren, met de Amerikaanse samenwerking voor de andere helft. Er waren ook belangrijke bijdragen van wetenschappers en instellingen in Taiwan en Hong Kong, en in Chili, Tsjechië, en Rusland.

"Dit is een enorm succesvol en belangrijk experiment geweest, " zei Kam-Biu Luk, de Amerikaanse woordvoerder van het Daya Bay-experiment en ook een universitair hoofdwetenschapper bij Berkeley Lab en een professor in de natuurkunde van UC Berkeley. "De precisiemetingen en ontdekkingen in Daya Bay zijn mogelijk gemaakt door de uitstekende samenwerking tussen de VS en China en al onze internationale partners."

De acht detectoren van Daya Bay zijn ontworpen om lichtsignalen op te vangen in de sprankelende vloeistoffen die ze bevatten. Deze signalen worden gegenereerd door interacties met antineutrino's die uit zes reactoren in de nabijgelegen kerncentrales Daya Bay en Ling Ao stromen.

Kernreactoren produceren een enorm aantal antineutrino's via het kernsplijtingsproces, en dat doen ze op een nauwkeurig gecontroleerde manier, waardoor reactoren een uitstekende plek zijn om neutrino-experimenten uit te voeren en zeer nauwkeurige metingen te doen.

Antineutrino's zijn de antideeltjes van neutrino's - overvloedige subatomaire deeltjes die ononderbroken door de meeste materie gaan, dus ze zijn moeilijk te detecteren. In de afgelopen zeven decennia, wetenschappers hebben grote vooruitgang geboekt bij het ontwerpen van detectoren om de ongrijpbare signalen van deze "spookachtige" deeltjes op te vangen.

"De Daya Bay-detectoren werken opmerkelijk goed, onze verwachtingen overtreffen, " zei Daya Bay US Chief Scientist Steve Kettell van Brookhaven Lab. "Dit succes staat centraal in onze ontdekking."

Op zoek naar theta 13

Gelegen in drie ondergrondse hallen binnen een mijl van de zes reactoren, het Daya Bay-experiment is ontworpen om een ​​eigenschap te meten die verband houdt met de transformaties van de deeltjes, of oscillaties, tussen drie verschillende soorten, bekend als "smaken":elektron, muon, en tau. Daya Bay was het eerste experiment dat met succes meet, met zekerheid, een "menghoek" genaamd theta 13. Deze menghoek bepaalt de snelheid waarmee neutrino's in de drie smaken veranderen. Sinds de eerste meting in 2012 de precisie in de theta 13-meting van Daya Bay is verzesvoudigd.

Om theta 13 te bepalen, wetenschappers hebben gemeten hoeveel neutrino's van een specifieke smaak - in dit geval elektronen-antineutrino's - werden geproduceerd door de nabijgelegen reactoren. Uit dat aantal konden ze bepalen hoeveel elektronen-antineutrino's ze zouden moeten meten met behulp van de grote detectoren van Daya Bay. Vervolgens, ze vergeleken de schatting met de werkelijke, gemeten aantal.

De theta 13-meting, en twee andere menghoeken gemeten door eerdere experimenten, helpen ons de rol te begrijpen die neutrino's hebben gespeeld in de evolutie van ons universum. Als wetenschappers een verschil waarnemen in bepaalde eigenschappen van neutrino's versus antineutrino's, het zou ons begrip kunnen helpen van de overmaat aan materie versus antimaterie in het universum.

Daya Bay-wetenschappers voeren nu een analyse uit van de gegevens van de volledige negen jaar van het experiment. Deze analyse zal verbeterde metingen van neutrino-eigenschappen mogelijk maken, inclusief een nieuwe precisie op theta 13 die de komende decennia waarschijnlijk niet zal worden overtroffen.

Onverwachte bonus

"De wetenschappelijke productiviteit van Daya Bay gaat onze verbeelding ver te boven, " zei Daya Bay medewoordvoerder Jun Cao, van IHEP. "Naast het vaststellen van de waarde van theta 13, een verrassende functie kwam naar voren in het gemeten antineutrino-spectrum van de reactor met de hoogwaardige gegevens van Daya Bay."

Een lokaal overschot aan antineutrino's - ongeveer 10% boven de theoretische verwachtingen bij een energie van ongeveer 5 miljoen elektronvolt (5 MeV) - komt duidelijk naar voren, veel verder dan de onzekerheden. De oorsprong van deze discrepantie is nog onduidelijk en vereist verder onderzoek.

In de tussentijd, bepaling van de antineutrino-opbrengst van het Daya Bay-experiment vond ook een waarschijnlijke verdachte voor het verklaren van een zogenaamde "reactor-antineutrino-anomalie" - metingen van minder antineutrino's dan was verwacht op de locaties van veel verschillende kernreactoren. Hoewel een mogelijkheid voor deze anomalie was dat sommige antineutrino's waren veranderd in een verondersteld vierde type neutrino, een steriel neutrino genaamd, Daya Bay-onderzoekers ontdekten dat dit hoogstwaarschijnlijk te wijten was aan onvolledige modellering van de voorspelde snelheid van antineutrino-productie voor één onderdeel van de splijtstof van de kernreactor.

Aanvullend, teams van wetenschappers van twee grote experimenten die neutrino-oscillaties bestuderen - het Daya Bay-experiment en het MINOS + -experiment in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE - bundelden hun krachten om een ​​andere analyse te maken die de mogelijkheid van steriele neutrino's in hun gegevens grotendeels uitsloot.

Gevolgen van de metingen

"De menghoek theta 13, waarvan veel wetenschappers vermoedden dat het nul zou zijn, bleek gelukkig veel groter te zijn dan we hadden verwacht toen we het experiment planden, "Luk zei, waarmee wetenschappers de oscillatiefrequentie nauwkeurig konden extraheren en de theorie van neutrino-oscillatie konden bevestigen. Dit belooft veel goeds voor andere actieve en toekomstige neutrino-experimenten die zullen proberen de ordening van de massa's van de verschillende neutrino's te meten, bijvoorbeeld.

Het zou ook ten goede kunnen komen aan experimenten die de mogelijke relevantie van neutrino's voor de onbalans tussen materie en antimaterie in het universum onderzoeken. Natuurkundigen zijn van mening dat neutrino's mogelijk een rol hebben gespeeld in deze onbalans door het overtreden van een fundamentele natuurkundige wet die bekend staat als schending van de ladingpariteit (CP). Deze overtreding houdt in dat een deeltje en zijn antideeltje zich anders gedragen.

De theta 13-meting van Daya Bay is de meest nauwkeurige meting tot nu toe van de drie menghoekmetingen die verband houden met neutrino-oscillaties. De Daya Bay-samenwerking werd erkend voor het succes bij het nauwkeurig meten van theta 13 met de toekenning van de prestigieuze 2016 Breakthrough Prize in Fundamental Physics.

"Nu we weten dat theta 13 niet nul is, we hebben nieuwe manieren ontwikkeld om de ordening van de neutrinomassa te bestuderen. Het stelt ons ook in staat om te zoeken naar CP-schending in huidige en toekomstige experimenten, ' zei Ketel.

Bestaande experimenten in neutrino-oscillatie, zoals T2K in Japan en NOvA bij Fermilab, profiteren van deze meting, hij merkte, net als Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), een experiment van de volgende generatie dat binnenkort gegevens gaat verzamelen in China, het project Long Baseline Neutrino Facility/Deep Underground Neutrino Experiment (LBNF/DUNE) in aanbouw bij Fermilab, en het aanstaande Hyper-Kamiokande-experiment in Japan.