Po 9 latach pracy mamy pierwsze pełne wyniki wielkiego chińsko-amerykańskiego badania neutrin

Przez 9 lat pracy instrumenty Daya Bay Reactor Neutrino Experiment zarejestrowały 5,5 miliona neutrin. Teraz międzynarodowy zespół pracujący przy eksperymencie poinformował o pierwszych wynikach uzyskanych na podstawie całego zbioru danych. A najważniejszym z nich są najbardziej precyzyjne pomiary theta 13 (θ13), kluczowego parametru potrzebnego nam do zrozumienia oscylacji neutrin.

Neutrina to cząstki subatomowe, które wypełniają cały wszechświat, a które niezwykle trudno zauważyć. Co sekundę przez nasze ciała przelatują miliardy neutrin. Neutrino może przelecieć przez ścianę ołowiu o grubości roku świetlnego, nie zderzając się przy tym z żadnym atomem.

Jednym z cech charakterystycznych neutrin jest oscylacja, czyli zmiana pomiędzy trzema zapachami: neutrino minowym, taonowym i elektronowym. Day Bay Reactor Neutrino Experiment zaprojektowano do badania parametrów określających, a jakim prawdopodobieństwem zajdzie oscylacja. Wśród parametrów tych znajdują się kąty mieszania. Gdy projektowano Daya Bay w rok 2007 nieznany pozostawał jeden z kątów mieszania, θ13. Dlatego właśnie eksperyment został zbudowany tak, by z bezprecedensową dokładnością określił ten właśnie parametr.

Day Bay Reactor Neutrino Experiment znajduje się w Guangdongu w Chinach. Składa się z wielkich cylindrycznych wykrywaczy cząstek zanurzonych w wodzie, a znajdujących się w trzech podziemnych grotach. Osiem detektorów odpowiedzialnych jest za wykrywanie sygnałów z antyneutrin pochodzących z pobliskich reaktorów atomowych.

Daya Bay projekt międzynarodowy i pierwszy tego typu wielki wspólny projekt fizyczny Chin i USA. Biorą w nich udział liczne instytucje naukowe, na czele których z chińskiej strony stoi Instytut Fizyki Wysokich Energii Chińskiej Akademii Nauk, a ze strony amerykańskiej Lawrence Berkeley National Laboratory oraz Brookhaven National Laboratory.

W każdej z podziemnych grot Daya Bay wykrywa antyneutrina elektronowe. Dwie groty znajdują się w blisko reaktorów atomowych, a trzecia jest od nich sporo oddalona, co daje neutrinom czas na oscylacje. Naukowcy, porównując liczbę antyneutrin elektronowych, które dotarły do wykrywaczy położonych bliżej i dalej od reaktorów, mogą wyliczyć ile z nich zmieniło zapach, a z tego wyprowadzają wartość theta 13.

W 2012 roku naukowcy pracujący przy Daya Bay ogłosili wyniki pierwszych powszechnie przyjętych pomiarów theta13. Od tego czasu ciągle uściślają swoje pomiary. W grudniu 2020 roku, po 9 latach pracy eksperymentu, zakończono zbieranie danych i zajęto się ich analizą. Okazało się, że Daya Bay znacznie przekroczył oczekiwania. Udało się bowiem zmierzyć wartość θ13 z 2,5-krotnie większą dokładnością, niż przyjęto w założeniach projektu. Żaden obecnie działający i planowany eksperyment nie powinien osiągnąć tak dużej precyzji.

Liczne zespoły analityków wykonały benedyktyńską pracę szczegółowo analizując cały zestaw danych, biorąc pod uwagę zmiany wydajności czujników w czasie tych 9 lat pracy. Dane te posłużyły nam nie tylko do wyodrębnienia z nich antyneutrin, ale również do udoskonalenia naszej wiedzy o szumie w tle. To pozwoliło nam osiągnąć niezwykłą precyzję, mówi rzecznik prasowy eksperymenty, Jun Cao z Instytutu Fizyki Wysokich Energii.

Dzięki precyzyjnym pomiarom θ13 naukowcy będą mogli łatwiej badań inne parametry neutrin oraz stworzyć dokładniejsze modele cząstek subatomowych i ich wzajemnego oddziaływania.

Lepsze poznanie właściwości i oddziaływania antyneutrin może rzucić wiele światła na kwestię nierównowagi pomiędzy materią i antymaterią. Obecnie uważa się, że podczas Wielkiego Wybuchu powstało tyle samo materii i antymaterii. Jeśli jednak tak by się stało, to powinno dojść do całkowitej anihilacji, po której pozostałoby tylko światło. Musi więc istnieć coś, co spowodowało, że współczesny wszechświat składa się z materii. Być może tym czymś są jakieś różnice pomiędzy neutrinami a antyneutrinami. Nigdy nie wykryliśmy żadnych różnic pomiędzy cząstkami i antycząstkami w przypadku leptonów, do których należy neutrino. Znaleźliśmy jedynie różnice między kwarkami i antykwarkami. Jednak różnice te nie wystarczą, by wyjaśnić, dlaczego materia ma we wszechświecie taką przewagę. Może odpowiedź ukrywa się w neutrinach, mówi drugi z rzeczników eksperymentu, Kam-Biu Luk z Berkeley.

Eksperymenty przyszłej generacji, takie jak DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) będą mogły wykorzystać pomiary wykonane przez Daya Bay do precyzyjnego porównania właściwości neutrin i antyneutrin. DUNE będzie najbardziej precyzyjnym wykrywaczem neutrin na świecie. Będzie on korzystał z budowanego właśnie najpotężniejszego na świecie źródła neutrin, PIP-II, w które zainwestowała Polska.

Daya Bay Reactor Neutrino Experiment neutrino theta 13