Czy istnieją neutrina sterylne?

Czy istnieją neutrina sterylne?

Dwie duże międzynarodowe współprace: MINOS i Daya Bay połączyły siły  żeby odpowiedzieć na pytanie: Czy istnieją neutrina sterylne?

Wskazówka, że może istnieć nowy rodzaj neutrina poza trzema dobrze znanymi:elektronowym, mionowym i taonowym pojawiła się pierwszy raz w latach 90-tych ubiegłego wieku, gdy opublikowano wyniki eksperymentu LSND z Los Alamos National Laboratory.  W eksperymencie poszukiwano oscylacji neutrin, których odkrycie przez eksperymenty Super Kamiokande i SNO zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w 2015 roku. Zjawisko to polega na zamianie jednego typu neutrina na drugi w czasie jego lotu od miejsca produkcji do detektora. Eksperyment LSND zaobserwował nadwyżkę antyneutrin elektronowych w wiązce antyneutrin mionowych, którą można zinterpretować jako wynik oscylacji, ale tylko wtedy gdy istnieje co najmniej jeden dodatkowy, czwarty rodzaj neutrina.  Neutrino to musiałoby mieć specjalne właściwości.  Mogłoby oddziaływać jedynie grawitacyjnie i jeżeli miałoby tłumaczyć efekt LSND - musiałoby mieć niedużą masę. W związku z  bardzo małą masą zachowywałoby się jak cząstka w ogóle nieoddziaływująca - stąd nazwa neutrino sterylne.

Dodatkowo istnieniem neutrina sterylnego można byłoby wytłumaczyć między innymi niezgodności pomiędzy strumieniem neutrin mierzonym w bliskich odległościach od reaktorów a przewidywaniami teoretycznymi dotyczącymi mechanizmów produkcji neutrin w reaktorach.

Przez ostatnie dwadzieścia lat w licznych eksperymentach próbowano potwierdzić lub odrzucić wynik LSND. Rezultaty były jednak  niejednoznaczne.   Najnowsze, połączone  wyniki z eksperymentów MINOS, Daya Bay i Bugey silnie wskazują na  to, że neutrina sterylne nie są wytłumaczeniem obserwacji eksperymentu LSND.

Zdjęcie satelitarne z zaznaczonym miejscem produkcji neutrin w ośrodku Fermilab i lokalizacją głównego detektora eksperymentu MINOS (Google Maps).Eksperyment MINOS bada intensywną wiązkę mionowych neutrin, podróżujących 735 km z ośrodka Fermilab koło Chicago do Soudan Underground Laboratory na þółnocy stanu   Minnesota.  Wśród członków współpracy znajduje się dr Katarzyna Grzelak z Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW. W eksperymencie przeprowadzono serię pomiarów zanikania mionowych neutrin, które doprowadziły do jednych z najlepszych w skali światowej ograniczeń na parametry modelu oscylacji neutrin. Istnienie sterylnych neutrin typu LSND powodowałoby szybsze zanikanie neutrin mionowych z wiązki, niż w przypadku gdyby neutrin sterylnych nie było. MINOS nie zaobserwował takiego efektu.

Eksperyment Daya Bay bada antyneutrina elektronowe pochodzące z elektrowni jądrowych w prowincji Guangdong w Chinach. W eksperymencie zaobserwowano, że część z tych neutrin zanika i zmierzono po raz pierwszy  jeden z parametrów rządzących oscylacjami standardowych neutrin, tzw. kąt mieszania θ13   Za to odkrycie została przyznana w 2016 roku nagroda Breakthrough Prize in Fundamental Physics. Istnienie sterylnych neutrin mogłoby wpłynąć na szybkość zanikania elektronowych antyneutrin, ale eksperyment Daya Bay także żadnego takiego efektu do tej pory nie zaobserwował.

Każdy z powyższych wyników z eksperymentów MINOS i Daya Bay  odnosi się tylko do jednego rodzaju neutrin,  podczas gdy eksperyment LSND obserwował przemianę antyneutrin mionowych w antyneutrina elektronowe. Tak więc żeby porównać się z wynikami LSND, trzeba było wspólnie przeanalizować dane z eksperymentu Daya Bay  dotyczące elektronowych antyneutrin i dane z eksperymentu MINOS  dotyczące neutrin mionowych.

Rezultatem wspólnej analizy jest publikacja, która wyklucza większość scenariuszy ze sterylnym neutrinem, które mogłyby wyjaśnić wynik eksperymentu LSND. Oba eksperymenty, MINOS i Daya Bay analizują obecnie kolejne dane,  tak więc wkrótce oczekiwany jest jeszcze bardziej jednoznaczny wynik.

Trzeba jednak podkreślić, że nawet całkowite wykluczenie efektu LSND jako mającego źródło w oscylacjach neutrin nie wykluczałoby istnienia sterylnych neutrin w ogólności.

Wspólna praca eksperymentów MINOS i Daya Bay
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.151801

Wyniki eksperymentu MINOS
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.151803

Wyniki eksperymentu Daya Bay
http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.117.151802

Informacja po angielsku: odnośnik  ze strony  ośrodka Fermilab http://www.fnal.gov/
http://www.symmetrymagazine.org/article/hunting-the-nearly-un-huntable

Kontakt:
dr Katarzyna Grzelak
Instytut Fizyki Doświadczalnej
Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych