粒子物理学

寻找无菌的中微子

中微子存在于三个品种中,但有些指标建议存在第四个,这可能在宇宙学中发挥重要作用。实验正在进行检测这些假想颗粒。

理查德梵德水和威廉查尔斯路易斯 对于Science N°515
本文保留用于科学用户
CCM. NeverRinos探测器

在雅典的2010年在2010年中微子国际会议上参加演讲的物理学家可能预计我们肯定会埋葬我们十年前宣布的争议结果。相反,我们的服务受到尴尬沉默的欢迎。

该故事于1996年开始,当我们发布使用的数据时 LSND. (液体闪烁体用于中微子检测)在LOS Alamos实验室。这些结果似乎质疑广泛接受的断言,即只有三种类型或“香料”的中微子 - 这些微小的全态颗粒,其在没有同源材料的情况下交叉。数据表明,它可能存在第四种中性的中性味道。但是,欧洲的另一种类似的经验, karmen,具有相似的灵敏度,显示出没有异常。

科学界是怀疑论者,我们必须公平,复制我们结果的经验的初步数据表明他们错了,即表示没有第四个中微子味道。那一天,在雅典,观众逻辑地预期,我们在棺材中关闭了最后一个钉子的错误信号 LSND.。我们宣布相反的是,随着时间的推移,存在第四种中微子的味道的指标变得更加令人信服。

当然,我们没有发现粒子。但我们呈现的工作,作为经验的一部分实现 迷你岩,在伊利诺伊州巴达维亚的农场,建议我们目前的粒子物理模型出现了问题。我们声称最可能的解决方案是一个新中微子的存在 - 一种被称为“无菌”的中微子,因为不能以除此之外的任何方式互动 通过 引力。在我们在希腊的介绍之后的十年中,数据 迷你岩 只支持赞成第四个中微子味的论据。

我们现在确定观察超出已知物理背景的东西,并且无菌中微子是解释它的最爱中。我们的实验可以检测到第四个中微子的想法仍然存在争议,因为粒子物理学的标准模型是历史的最佳测试和确认的理论之一......它是n“允许三个中微子香料。

然而,我们知道标准模型是不完整的,因为它既不解释暗物质也没有暗能,似乎大多数宇宙内容的实体。但是,新的中微子味可能是已知物理学和这座黑暗王国之间的缺失联系。经过几十年的不确定性,物理学家终于介绍了新的实验项目,包括我们的探测器 CCM. (或者 连贯的船长),谢谢他们可以解决这个问题。

最幽灵般的中微子

中微子是泡沫颗粒。因此,数以千计的数十亿美元,每秒穿过身体,几乎以光速。但无菌的中微子将是所有人的最幽灵。对其他颗粒受到的弱,强和电磁相互敏感的不敏感,这将是不可检测的。因此,它将是一个组成部分,物理学家指定“黑暗部门”,暗物质所属和暗能量的部分,它构成了宇宙能量密度的95%。可能是无菌的中性芽孢杆菌能够与暗物质相互作用 通过 自然的新力量。这些颗粒甚至可以是暗物质的组分:根据某些假设,无菌中性芽孢杆菌(肿块大于所寻求的中微子毒素 迷你岩CCM.)将代表宇宙的明显差分甚至是必不可少的宇宙的不可见材料。

无菌中微子的存在只能是这种戏剧性粒子的漫长一系列惊喜中的最后一系列惊喜。 20世纪60年代的第一日期,当旨在测量我们方向排放的中微子流动的实验,系统地检测到比科学家们没有规定的粒子。所有恒星通过热核融合反应供电,在此期间质子合并和形成氦核,其依次熔化形成较重的元素。电子中微子(三种中微子味道中的一个,伴随着多余的和语防中微子)是这些反应的副产物之一。该理论允许计算这些颗粒的连续流动,这些颗粒必须到达地球上的探测器。但是检测到预期数量的一小部分。这是着名的“太阳微子问题”。

最初,许多物理学家假设我们只是理解太阳的运作。现实证明了更简单,更有趣。太阳没有比预期的更少的中微子发射。事实上,他们实际上是在地球上的探测器之前不能直到我们的探测器。更准确,他们已经打开了。

物理学家最终理解中微子不是“纯粹的”物理实体。每个中性细胞都是混合不同的口味,它可以随着时间的推移从一种味道到另一个味道。由于几个原因,这种称为“振荡”的现象是一个惊喜。对于初学者来说,中微子可能改变味道的事实意味着它们不能为零质量粒子,并向预测标准模型的光速行驶。

理解的一种方法是要记住,根据爱因斯坦的限制相关性理论,时间对于移动物体而言比不动反射物更慢。物体越快,他的时钟越多地减慢(相对于一个动态的时钟),直到物体在物体移动到光的速度时完全移动。这意味着如果您可以前往光速,那么时间似乎停止和宇宙在现场冻结。但如果Neutrinos的味道没有固定,那么它们遭受了改变,因此他们感受到了时间的流逝。它们必须以低于光速的速度行驶。结果,它们不能被剥夺质量。根据限制的相对论,零质量粒子以光速行进:如果中微子较慢是它们的一个,甚至非常弱。这也意味着粒子物理学的标准模型是最不完整的。在日本Takaki Kajita和Canadire Arthur McDonald中,您在2015年赢得了NemarInos摇摆的启示和发现。

令人惊讶的信号

在20世纪90年代和2000年代,我们精确地研究了中微子的意外能力,以改变体验的风味 LSND.迷你岩。然后,额外的中微子存在的存在的指标开始均匀地表现出来。在两个装置中,粒子加速器产生了一种壁中微子的连续射流,并且在两种情况下,探测器设定为捕获电子中微子(更精确的Anteineutrinos LSND.)从壁中微子源的距离放置在远处。

如果你可以通过空间飞行,你会看到它“振荡”,即循环通过三种口味说。至少原则上,电子,莫氏和壁画味道都将是可观察到的。但是,如果存在第四次无菌味道,您的中微子也可以采用它。对于陪同他的观察者来说,粒子似乎只是在他的轨迹部分上消失。在最简单的情况下,Neutrino将通过发现三种普通的口味中的一种进一步重新出现(即使理论上是可能的无菌中性细胞可以崩解,从而结束振荡)。

通常,三种已知的味道中的一个的振荡距离长距离发生。但由于无菌中微子最可能比通常的口味更重,而颗粒可以更快地朝向这种状态振荡,并相反地回到距离较短的距离中已知的三种类型中的一种。因此,如果存在无菌的中微子,它们的效果可以是加速振荡过程,并且显着缩短了例如多余中性细胞的距离,例如,在变成电子中性之前必须行进。

这正是我们在第一次经历期间观察到的:似乎壁龛中的中微子在从来源的旅程中消失得比预期快得多,并且电子中微子在探测器中出现比我们等待的更大数量。我们观察到距离超过几百米而不是几百公里的振荡。由于大量壁龛中Neutrinos不应该在一定距离内转变为电子中微子,就像经验一样短,也许在途中也可能改为其他东西。

这些异常不仅仅是我们的经历。来自核反应堆附近的某些探测器的数据(例如在Franco-德国经验中 立体声,格勒诺布尔或经验 从Chooz反应堆,在法国)也建议钟声。与在阳光下一样,核反应堆中的反应产生中微子和几种实验装置已经放置在其邻域中以研究这些颗粒。通常,它们比预期检测到更少的中微域,表明其中一部分可以在反应器的旅程中改变为无菌中微子。然而,这些结果难以解释,因为物理学家究竟不知道裂变反应器产生了多少个中微子。因此,最小数量的中微子毒素的检测可能是由于无菌中性细胞的存在,无论是在科学家估计的估计,它们都应该检测到中微子的量。

俄罗斯的物理学家绕过这个不确定性,并以一个名为的经验 (通过固体塑料闪烁体的“反应器的抗内氨基检测器英语缩写”)。该装置安装在核反应堆下,但科学家每隔几天将反应器和中微子检测器之间的距离变化,以检查Neutrinos是否改变沿途的味道。如果存在短距离振荡,这种方法可能会向研究人员透露,即使它们没有准确估计反应器产生的中微子数量的准确估计。此外,Franco-德国经验 立体声 还测试了短距离振荡,探测器距离反应器仅10米。

巨大的中微子天文台 冰块,安装在南极洲,也寻找无菌的中微子。该网络网络埋藏在极地冰上并占据1公里立方体的总体积检测到“Tcherenkov辐射”,当来自高气氛中的非常能量的中子菌与冰相互作用并产生颗粒的级联时产生的发光。由光电探测器收集的Tcherenkov信号的研究允许科学家重建入射中微子的类型,能量和轨迹。

团队冰块 应该很快发布在中微子的分析,在八年内,在另一方面穿过陆地时已经到了他们的光电探测器。本研究寻求壁龛中微子消失的迹象,如果确认,这将是与结果一致的 LSND. 而且 迷你岩 因此,可以表明无菌中性细胞的存在。

无菌中性菌的所有指数都肯定有趣和令人鼓舞,但他们还没有得出结论。学习中微子的能量范围 冰块 宽,使振荡分析复杂化。在核反应堆附近进行的实验中,难以区分,通过在检测材料内衍生无放射性崩解的那些反应发出的中微子。

在实验中 LSND.迷你岩可以打开和关闭粒子加速器以确定背景噪声的强度。但是,我们一直受到在源自距离不同距离处寻找中微子的不可能性。当我们需要一连串的图像时,只需要一部电影的图像,以了解整个故事。

一个新的策略

下一代当前或结算经验应允许我们获得我们需要的图像的继承。如上所述,理想的理想将能够与中微子一起飞行并观察其振荡。当然是不可能的,但这些经验允许我们在不同时间拍摄振荡的快照,如果存在,这可能会揭示无菌味道。在这些项目中,我们找到该计划 Neutrino Bast-基线,费米巴和经验 CCM.,我们刚刚开始洛杉矶阿拉莫斯。

装置 CCM. 安装在Lansce Hall,Los Alamos的中子科学中心,在粒子加速器的尽头800米长。加速器产生针对钨靶的质子束。通过撞击金属,质子根据称为“剥落”的机制从其中子级联的原子排出。这一过程发布的部分能量导致创建短暂粒子,典当。这些被固定并崩解成μON,更重要的是在富裕的能量的多余中的中微子中。

CCM. 由于所谓的“相干扩散”,检测这些中微子,这是基于所有粒子(包括Neutrinos)的事实不仅是小的小核,而且像波浪一样。这种二元波 - 焦炭是量子力学的基础之一。与颗粒相关的波长取决于其能量。高能量颗粒非常快,具有小的波长,而低能量颗粒,慢,具有较大的波长。

当短波长中微子击中原子核心时,它们仅在其内与单个核聚体(质子或中子)相互作用。但是,当中微子的能量对于其波长相当于原子芯的直径时,特别是当中微子的能量相当的情况下发生的事情。而不是仅在原子中仅击中一个质子或单个中子,而是低能量的中性物质与整个细胞核相互作用。我们可以将此与船上膨胀的到来进行比较。短暂的膨胀几乎不会对一个非常大的船只的运动产生影响,而海洋的长膨胀会大大提高。随着大波长中微子作为整体的原子核心而不是一系列的小部分,它相互作用的概率要大得多。

与高能中微子不同,低能量中微子因此在整个细胞核上反弹。这种扩散被称为“相干”,因为中耳的波长与芯的尺寸相当。然后核心经历了衰退。如果这种相互作用发生在足够的材料中,则原子的后焊产生的光闪烁,而中微子在新方向上继续其路线。通过用光电倍增管检测器捕获光闪光灯,其中当中微子已经被原子分布以及后者的动能。即使相干扩散没有露出给定中性钙的风味,也可以测量与检测器相互作用的三种味道的中微子的总数。这是非常重要的:如果该和该总和对应于预期的中微子数量,则可能是未检测到的无菌中微子 - 因为它们无法与氩原子相互作用,并且不会产生闪光灯。

由于由整数核心播出的中微子的机会大于与其其中一个核心相互作用的,因此我们可以在这些传感器的这些实验中使用,该实验比最具中微子探测器(相同)与核反应堆附近的探测器是真的,中微子流动随后是非常强烈的)。

探测器 CCM. 含有10吨液体氩气,与800吨的矿物油相比来自经验探测器 miniboone。 并且在紧凑型时,它可以从一个地方移动到另一个地方,以检测来自其源的不同距离的中微子。如果中微子在Lansce体验大厅的几十米上经常振荡,我们将根据距离观察距离总检测数的变化。这样的结果表明,振荡实际上发生在无菌味道上:实际上,如果只有三种口味,我们不应该在这种短距离上观察振荡。

管光电倍增器CCM探测器

作为探测器,Terrance Schaub,经验研究员的一部分 CCM.,提高光电倍增管以取代它。

©Los Alamos国家实验室
CCM. NeverRinos探测器

技术人员提取中微子探测器 CCM. 在其容器中,当实验正在进行时,它充满了液体氩气。

©Los Alamos国家实验室

对参数的约束

当然是可能的 CCM. 没有检测到类似的东西。在这种情况下,当我们移动钨靶检测器时,观察到的正常中微子的数量将简单地减少,正如灯的表观光照一样随着灯的方式减小,随着灯的变化。

虽然令人失望,但这样的结果不会排除一个或多个无菌中微子的存在,但它将对其潜在性质进行限制。作为中微子振荡取决于它们的相对质量和命名为“混合角度”的参数,找不到无菌的中微子标志,允许我们将手指放在这些质量和混合角度的值上。在任何情况下都可能有,还原研究人员必须考虑的参数范围。

与标准模型有分歧的实验者被认为有罪,直到他们证明他们的纯真,因为正确的原因在历史上讲,那些被调用的科学家们被称为标准模型是错误的。但是,肯定有一个超出标准模型的体质。独自一人,中微子的挥杆是一个证据。

自1956年在LOS Alamos实验室的前辈们在1956年发现的第一个中微域发现以来,中微子研究经常刺激物理学的创新发展。如果无菌中微子仍然是一个有争议的主题二十五个我们检测到其存在的第一个指标,现在正在解决问题的目的 - 以一种方式解决问题。

主题

杂志

订阅和ACC.édez à plus de 20 ans d'archives !

12号éros + 4 hors-série
在纸张版本+ numérique

+ ACC.ès illimité à plus de 20 ans d'archives

我是'abonne

订阅和ACC.édez à plus de 20 ans d'archives !

12号éros + 4 hors-série
在纸张版本+ numérique

+ ACC.ès illimité à plus de 20 ans d'archives

我是'abonne

我们的上一篇出版物

回到顶部