Gedurende bijna negen jaar legde het Daya Bay Reactor Neutrino Experiment een ongekende vijf en een half miljoen interacties vast van subatomaire deeltjes die neutrino's worden genoemd. Nu heeft het internationale team van natuurkundigen van de Daya Bay-samenwerking het eerste resultaat van de volledige dataset van het experiment gerapporteerd - de meest nauwkeurige meting tot nu toe van theta13, een belangrijke parameter om te begrijpen hoe neutrino's hun 'smaak' veranderen. Het resultaat, dat vandaag werd aangekondigd op de Neutrino 2022-conferentie in Seoul, Zuid-Korea, zal natuurkundigen helpen bij het onderzoeken van enkele van de grootste mysteries rond de aard van materie en het universum.

Neutrino's zijn subatomaire deeltjes die zowel beroemd ongrijpbaar als enorm overvloedig zijn. Ze bombarderen eindeloos elke centimeter van het aardoppervlak met bijna de snelheid van het licht, maar interageren zelden met materie. Ze kunnen door lood van een lichtjaar reizen zonder ooit een enkel atoom te verstoren.

Een van de bepalende kenmerken van deze spookachtige deeltjes is hun vermogen om te oscilleren tussen drie verschillende "smaken":muon-neutrino, tau-neutrino en elektronenneutrino. Het Daya Bay Reactor Neutrino-experiment is ontworpen om de eigenschappen te onderzoeken die de waarschijnlijkheid van die oscillaties bepalen, of wat bekend staat als menghoeken en massasplitsingen.

Slechts één van de drie menghoeken was bij het ontwerp van Daya Bay in 2007 nog onbekend:theta13. Daya Bay is dus gebouwd om theta13* te meten met een hogere gevoeligheid dan enig ander experiment.

Het Daya Bay Reactor Neutrino Experiment, dat actief is in Guangdong, China, bestaat uit grote, cilindrische deeltjesdetectoren die zijn ondergedompeld in plassen water in drie ondergrondse grotten. De acht detectoren vangen lichtsignalen op die worden gegenereerd door antineutrino's die uit nabijgelegen kerncentrales stromen. Antineutrino's zijn de antideeltjes van neutrino's en ze worden in overvloed geproduceerd door kernreactoren. Daya Bay is gebouwd door een internationale inspanning en een unieke samenwerking voor een groot natuurkundig project tussen China en de Verenigde Staten. 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 (DOE) en het Brookhaven National Laboratory samen de Amerikaanse deelname leiden.

Om de waarde van theta13 te bepalen, ontdekten wetenschappers van Daya Bay neutrino's met een specifieke smaak - in dit geval elektronen-antineutrino's - in elk van de ondergrondse grotten. Twee cavernes bevinden zich in de buurt van de kernreactoren en de derde caverne is verder weg, waardoor de antineutrino's voldoende afstand hebben om te oscilleren. Door het aantal elektronen-antineutrino's te vergelijken dat werd opgepikt door de nabije en verre detectoren, berekenden natuurkundigen hoeveel smaken er veranderden en, bijgevolg, de waarde van theta13.

Natuurkundigen van Daya Bay hebben in 2012 's werelds eerste overtuigende meting van theta13 gedaan en verbeterden vervolgens de nauwkeurigheid van de meting terwijl het experiment gegevens bleef verzamelen. Nu, na negen jaar gebruik en het einde van de gegevensverzameling in december 2020, uitstekende detectorprestaties en toegewijde gegevensanalyse, heeft Daya Bay de verwachtingen ver overtroffen. Door met de volledige dataset te werken, hebben natuurkundigen nu de waarde van theta13 gemeten met een precisie die tweeënhalf keer zo groot is als het ontwerpdoel van het experiment. Geen enkel ander bestaand of gepland experiment zal naar verwachting zo'n voortreffelijk niveau van precisie bereiken.

"We hadden meerdere analyseteams die de hele dataset nauwgezet onderzochten, waarbij ze zorgvuldig rekening hielden met de evolutie van de detectorprestaties gedurende de negen jaar dat ze in bedrijf waren", zegt Daya Bay medewoordvoerder Jun Cao van IHEP. "De teams maakten gebruik van de grote dataset, niet alleen om de selectie van antineutrino-gebeurtenissen te verfijnen, maar ook om de bepaling van achtergronden te verbeteren. Deze toegewijde inspanning stelde ons in staat een ongeëvenaard niveau van precisie te bereiken."

De precisiemeting van theta13 stelt natuurkundigen in staat om gemakkelijker andere parameters in de neutrinofysica te meten, en om nauwkeurigere modellen te ontwikkelen van subatomaire deeltjes en hoe ze op elkaar inwerken.

Door de eigenschappen en interacties van antineutrino's te onderzoeken, kunnen natuurkundigen inzicht krijgen in de onbalans van materie en antimaterie in het universum. Natuurkundigen geloven dat materie en antimaterie in gelijke hoeveelheden zijn ontstaan ​​ten tijde van de oerknal. Maar als dat het geval was, hadden deze twee tegenpolen vernietigd moeten worden en alleen licht achtergelaten. Een verschil tussen de twee moet de balans hebben doen doorslaan om het overwicht van materie (en het ontbreken van antimaterie) in het universum van vandaag te verklaren.

"We verwachten dat er een verschil is tussen neutrino's en antineutrino's", zegt Berkeley-fysicus en medewoordvoerder van Daya Bay, Kam-Biu Luk. "We hebben nooit verschillen ontdekt tussen deeltjes en antideeltjes voor leptonen, het type deeltjes dat neutrino's bevat. We hebben alleen verschillen ontdekt tussen deeltjes en antideeltjes voor quarks. Maar de verschillen die we zien met de quarks zijn niet genoeg om uit te leggen waarom er is meer materie dan antimaterie in het universum. Het is mogelijk dat neutrino's het rokende pistool zijn."

De laatste analyse van de definitieve dataset van Daya Bay leverde natuurkundigen ook een nauwkeurige meting van de massasplitsing op. Deze eigenschap bepaalt de frequentie van neutrino-oscillaties.

"Het meten van massasplitsing was niet een van de oorspronkelijke ontwerpdoelen van Daya Bay, maar het werd toegankelijk dankzij de relatief grote waarde van theta13", zei Luk. "We hebben de massasplitsing tot 2,3% gemeten met de laatste Daya Bay-dataset, een verbetering ten opzichte van de 2,8% precisie van de vorige Daya Bay-meting."

In de toekomst verwacht de internationale Daya Bay-samenwerking aanvullende bevindingen uit de definitieve dataset te rapporteren, inclusief updates van eerdere metingen.

Neutrino-experimenten van de volgende generatie, zoals het Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), zullen de Daya Bay-resultaten gebruiken om de eigenschappen van neutrino's en antineutrino's nauwkeurig te meten en te vergelijken. DUNE, dat momenteel in aanbouw is, zal natuurkundigen voorzien van 's werelds meest intense neutrinostraal, ondergrondse detectoren van elkaar gescheiden door 800 mijl, en de mogelijkheid om het gedrag van neutrino's als nooit tevoren te bestuderen.

"Als een van de vele natuurkundige doelen verwacht DUNE uiteindelijk theta13 bijna net zo nauwkeurig te meten als Daya Bay", zegt Brookhaven experimenteel fysicus en Daya Bay-medewerker Elizabeth Worcester. "Dit is opwindend omdat we dan nauwkeurige theta13-metingen zullen hebben van verschillende oscillatiekanalen, die het drie-neutrino-model rigoureus zullen testen. Totdat DUNE die hoge precisie bereikt, kunnen we de nauwkeurige theta13-meting van Daya Bay gebruiken als een beperking om het zoeken naar verschillen tussen neutrino- en antineutrino-eigenschappen."

Wetenschappers zullen ook gebruikmaken van de grote theta13-waarde en reactorneutrino's om te bepalen welke van de drie neutrino's de lichtste is. "De precieze theta13-meting van Daya Bay verbetert de gevoeligheid voor massa-orders van het Jiangmen Underground Neutrino Observatory (JUNO), dat volgend jaar de bouw in China zal voltooien", zegt Yifang Wang, JUNO-woordvoerder en IHEP-directeur. "Bovendien zal JUNO over een aantal jaren een precisie van minder dan een procent halen op de massasplitsing gemeten door Daya Bay." + Verder verkennen

Wetenschappers nemen afscheid van Daya Bay-site, ga verder met definitieve gegevensanalyse