MicroBooNE nie znalazł neutrina sterylnego. Naukowcy wciąż nie wykluczają jego istnienia

Wyniki eksperymentu MicroBooNE nie przyniosły żadnych śladów istnienia neutrina sterylnego, poinformowali naukowcy z Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Neutrino sterylne to hipotetyczna cząstka, której istnienie byłoby dobrym wyjaśnieniem niektórych anomalii w prowadzonych eksperymentach. Jeśli uda się je znaleźć, byłoby to niezwykle ważne odkrycie, prowadzące do znaczących zmian w naszym rozumieniu fizyki.

Nowe wyniki nie napawają jednak optymizmem. Międzynarodowy zespół naukowy pracujący przy eksperymencie MicroBooNE przeprowadził cztery dodatkowe analizy, a ich wyniki zaprezentował podczas seminarium. Wynik każdej z analiz jest taki sam – brak śladów istnienia neutrina sterylnego. Za to wszystko świetnie pasuje do Modelu Standardowego, który przewiduje istnienie trzech rodzajów neutrin. I tyle ich właśnie znamy.

To bardzo solidne badania, które przeprowadziliśmy za pomocą różnych rodzajów interakcji, analiz i technik rekonstrukcji. Wszystkie dały taki sam wynik i wszystkie wskazują na brak śladów neutrino sterylnego, mówi profesor Bonnie Fleming z Yale Univerity.

MicroBooNE to 170-tonowy wykrywacz neutrin, który działa od 2015 roku. W eksperyment zaangażowanych jest niemal 200 naukowców z 36 instytucji z 5 krajów. Wykorzystują najnowocześniejsze techniki do uzyskania trójwymiarowego obrazu reakcji z udziałem neutrin i badają cząstki biorące w nich udział.

Neutrino to jedna z podstawowych cząstek natury. To najbardziej rozpowszechnione we wszechświecie cząstki. Są obojętne, niezwykle małe i rzadko wchodzą w interakcje z innymi cząstkami. Wiąże się z nimi wiele intrygujących kwestii fizycznych, dlatego są przedmiotem intensywnych badań. Jedno z pytań na ich temat brzmi, dlaczego mają tak małą masę i czy to one odpowiadają za przewagę materii nad antymaterią.

Wyniki eksperymentu MicrBooNE to ważny element na drodze ku lepszemu zrozumieniu otaczającego nas świata. Skoro neutrino sterylne nie istnieje, fizycy muszą spróbować w inny sposób wyjaśnić obserwowane anomalie. W większym stopniu będą mogli skupić się na innych hipotezach próbujących je wyjaśnić, jak istnienie egzotycznej ciemnej materii czy niewyjaśnionych zjawisk fizycznych związanych z istnieniem bozonu Higgsa.

Wykrywacz MicroBooNE korzysta z ponad 8000 czujników śledzących trasy cząstek. Umieszczono to w 170 tonach płynnego argonu. Neutrina wchodzą w interakcje z argonem, w wyniku czego powstają cząstki, które czujniki potrafią wychwycić. Dzięki temu możemy poznać szczegółowe trasy tych cząstek, a co najważniejsze – odróżnić fotony od elektronów.

Podczas pierwszych trzech lat pracy urządzenia nie zarejestrowano nadmiaru elektronów, ale nie zauważono też nadmiaru fotonów, co mogło wskazywać na błędy w danych. Nie zauważyliśmy tego, co spodziewaliśmy się zaleźć. Ani elektronów, ani fotonów. Jednak dane nie są błędne. Tam dzieje się coś, co musimy wyjaśnić, mówi Sam Zeller, rzecznik prasowy eksperymentu.

Dotychczas z 95-procentową pewnością wykluczono fotony jako jedyne źródło nietypowych danych, a elektrony jako jedyne wyjaśnienie zostały wykluczone z ponad 99-procentową pewnością. Naukowcom pozostała jeszcze połowa danych do przeanalizowania. Pracę zaczęli od najbardziej prawdopodobnych źródeł sygnałów. Teraz, skoro je wykluczono, pozostaje kilka innych możliwości. Być może pojawia się elektron i pozyton jednocześnie lub też dochodzi do jakiegoś zjawiska, w którym pojawia się m.in. foton.

Początkowe analizy skupiały się na poszukiwaniu neutrino sterylnego. Nie można jednak wykluczyć, że naukowcy znajdą coś zupełnie innego, jak cząstki ciemnej materii czy hipotetyczny bozon Z'. A być może będzie to neutrino sterylne, które pojawia się w zupełnie nieoczekiwany sposób.

MicroBooNE to jeden z wielu eksperymentów badających neutrina. Przy okazji jest to urządzenie testowe, które ma położyć podwaliny pod przyszłe detektory wykorzystujące technologię ciekłego argonu. Zbudowaliśmy i przetestowaliśmy sprzęt, stworzyliśmy całą infrastrukturę do przetwarzania olbrzymiej ilości danych. Przeprowadzamy symulacje, kalibracje, mamy algorytmy do rekonstrukcji, analiz strategii badawczych i automatyzacji analizy za pomocą maszynowego uczenia się. Nasza praca kładzie podwaliny pod przyszłe eksperymenty, wyjaśnia Justin Evans z University of Manchester.

Technologia ciekłego argonu zostanie wykorzystana m.in. z detektorze ICARUS, który ma rozpocząć pracę za kilka tygodni i będzie stanowiło – wraz z MicroBooNE i SBND – komplet trzech uzupełniających się wykrywaczy. Trzeci element zestawu, który niedawno opisywaliśmy, Short-Baseline Near Detector (SBND), ma zaś ruszyć w 2023 r. SBND również będzie korzystał z ciekłego argonu, a wykrywacz będzie tak wydajny, że w ciągu miesiąca dostarczy więcej danych niż MicroBooNE przez dwa lata.

W fizyce istnieje sporo ważnych pytań, na które brak odpowiedzi. Neutrina mogą nam powiedzieć, gdzie tych odpowiedzi szukać. sądzę, że jeśli chcemy zrozumieć wszechświat, musimy zrozumieć neutrino, mówi Bonnie Fleming.

MicroBooNE neutrino sterylne