Fizycy są bliżej niż kiedykolwiek odpowiedzi na fundamentalne pytania dotyczące pochodzenia wszechświata, dowiadując się więcej o jego najmniejszych cząsteczkach.
Naukowcy intensyfikują badania nad neutrinami, tajemniczymi cząsteczkami, które przenikają przez materię niemal bez przeszkód. Kluczowe cele obejmują badanie, w jaki sposób neutrina zmieniają typy i poszukiwanie nieznanych wcześniej odmian, które mogłyby zmienić obecne rozumienie fizyki.
Tajemnica sterylnego neutrina
Profesor Uniwersytetu Cincinnati Alexandre Sousa szczegółowo opisał następną dekadę globalnych badań nad neutrinami, niewiarygodnie małymi cząsteczkami, które poruszają się z prędkością bliską prędkości światła i przechodzą przez praktycznie wszystko w bilionach każdej sekundy.
Neutrina to najliczniejsze cząstki posiadające masę we wszechświecie, co czyni je głównym przedmiotem zainteresowania naukowców pragnących zrozumieć podstawowe aspekty fizyki.
Cząstki te powstają w wyniku różnych procesów, w tym syntezy jądrowej na Słońcu, rozpadu radioaktywnego w reaktorach jądrowych i skorupie ziemskiej oraz eksperymentach z akceleratorami cząstek. W miarę przemieszczania się neutrina mogą przełączać się pomiędzy trzema typami, czyli „smakami”, w procesie, który wciąż intryguje badaczy.
Jednak nieoczekiwane wyniki eksperymentów skłoniły fizyków do podejrzeń, że może istnieć inny smak neutrina, zwany neutrinem sterylnym, ponieważ wydaje się odporny na trzy z czterech znanych „sił”.
„Teoretycznie oddziałuje z grawitacją, ale nie wchodzi w interakcję z innymi, słabymi oddziaływaniami jądrowymi, silnymi oddziaływaniami jądrowymi ani siłami elektromagnetycznymi” – powiedział Sousa.
Współpraca i cele badawcze Neutrino
W nowej białej księdze opublikowanej w czasopiśmie „ Dziennik Fizyki GSousa i jego współautorzy omawiają anomalie eksperymentalne w badaniu neutrin, które wprawiły badaczy w zakłopotanie.
Artykuł powstał w wyniku ćwiczenia planowania społeczności cząstek fizyki, zwanego „Snowmass 2021/2022”.
Przedstawiciele fizyki wysokich energii zbierają się co 10 lat, aby współpracować nad przyszłością fizyki cząstek elementarnych w Stanach Zjednoczonych i u ich międzynarodowych partnerów.
Ich zbiorowa wizja została sformułowana i skonfrontowana ze scenariuszami finansowania nauki przez Panel ds. Priorytetów Projektu Fizyki Cząstek (ang. Particle Physics Project Prioritization Panel, w skrócie P5), którego raport końcowy opublikowany w 2023 r. zawierał bezpośrednie zalecenia dla Kongresu dotyczące finansowania projektów.
Sousa był autorem korespondencyjnym artykułu omawiającego niektóre z najbardziej obiecujących projektów nadchodzących w następnej dekadzie.
Profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego Jure Zupan, profesor nadzwyczajny Uniwersytetu Kalifornijskiego Adam Aurisano, badacz wizytujący Tarak Thakore, pracownik naukowy Uniwersytetu Kalifornijskiego Michael Wallbank oraz studenci fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego Herilala Razafinime i Miriama Rajaoalisoa również wnieśli swój wkład w powstanie artykułu.
„Wydaje się, że neutrina są kluczem do odpowiedzi na te bardzo głębokie pytania”.
Fizyk Alexandre Sousa, UC College of Arts and Sciences
Perspektywy na przyszłość w fizyce neutrin
„Oczekuje się postępu w fizyce neutrin na kilku frontach” – powiedział Zupan.
Oprócz poszukiwań sterylnych neutrin Zupan powiedział, że fizycy przyglądają się kilku anomaliom eksperymentalnym – rozbieżnościom między danymi a teorią – które będą mogli przetestować w najbliższej przyszłości w nadchodzących eksperymentach.
Więcej informacji na temat neutrin może wywrócić do góry nogami stulecia naszego rozumienia fizyki. Kilka projektów dotyczących neutrin zostało wyróżnionych najważniejszą na świecie nagrodą naukową, Nagrodą Nobla, a ostatnio za odkrycie oscylacji neutrin przyznano Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 2015 roku. Kraje takie jak Stany Zjednoczone inwestują miliardy dolarów w te projekty ze względu na ogromne zainteresowanie naukowe poszukiwaniem tych zagadnień.
Pytanie brzmi: dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii, jeśli: Wielki Wybuch stworzył oba w równym stopniu. Odpowiedzi na te pytania mogą dostarczyć badania nad Neutrinami – stwierdził Sousa.
„Być może nie będzie to miało wpływu na Twoje codzienne życie, ale staramy się zrozumieć, dlaczego tu jesteśmy” – powiedziała Sousa. „Wydaje się, że neutrina są kluczem do odpowiedzi na te bardzo głębokie pytania”.
DUNE: Najnowocześniejsze eksperymenty z neutrinami
Sousa jest częścią jednego z najbardziej ambitnych projektów neutrinowych o nazwie DUNE lub Deep Underground Neutrino Experiment prowadzonego przez Fermi National Accelerator Laboratory. Załogi wykopały dawną kopalnię złota Homestake na głębokości 1500 metrów pod ziemią, aby zainstalować detektory neutrin. Sousa powiedział, że samo dotarcie windy do jaskiń detektorów zajmuje około 10 minut.
Naukowcy umieścili detektory głęboko pod ziemią, aby chronić je przed promieniowaniem kosmicznym i promieniowaniem tła. Ułatwia to izolację cząstek powstałych w eksperymentach.
Eksperyment ma się rozpocząć w 2029 r., a dwa moduły detektorów będą mierzyć neutrina z atmosfery. Jednak począwszy od 2031 roku badacze z Fermilab będą wystrzeliwać wysokoenergetyczną wiązkę neutrin na odległość 800 km przez Ziemię do oczekującego detektora w Południowej Dakocie i znacznie bliżej w Illinois. W projekcie uczestniczy ponad 1400 międzynarodowych inżynierów, fizyków i innych naukowców.
„Dzięki tym dwóm modułom detektora i najpotężniejszej w historii wiązce neutrin możemy dokonać wielu odkryć naukowych” – powiedział Sousa. „Wyjście DUNE do sieci będzie niezwykle ekscytujące. To będzie najlepszy eksperyment z neutrinami w historii.”
Wnioski i przyszłe kierunki
Artykuł był ambitnym przedsięwzięciem, w którym wzięło udział ponad 170 autorów ze 118 uniwersytetów i instytutów oraz 14 redaktorów, w tym Sousa.
„To był bardzo dobry przykład współpracy z różnorodną grupą naukowców. Nie zawsze jest to łatwe, ale kiedy wszystko się łączy, jest to przyjemność” – powiedział.
W międzyczasie Sousa i Aurisano z Uniwersytetu Kalifornijskiego biorą także udział w innym eksperymencie neutrinowym Fermilab o nazwie NOvA, który bada, w jaki sposób i dlaczego neutrina zmieniają smak i odwrotnie. W czerwcu jego grupa badawcza przedstawiła raport o swoich najnowszych odkryciach, dostarczając najdokładniejszych jak dotąd pomiarów masy neutrin.
Innym dużym projektem o nazwie Hyper-Kamiokande lub Hyper-K jest obserwatorium i eksperyment neutrin budowane w Japonii. Operacje tam mogłyby rozpocząć się już w 2027 r., ponieważ sonda ta ma między innymi szukać dowodów na istnienie sterylnych neutrin.
„To powinno dać bardzo interesujące wyniki, zwłaszcza gdy połączysz je z DUNE. Zatem połączenie tych dwóch eksperymentów ogromnie poszerzy naszą wiedzę” – powiedział Sousa. „Powinniśmy uzyskać odpowiedzi w latach trzydziestych XXI wieku”.
Zupan z Uniwersytetu Kalifornijskiego powiedział, że te wielomiliardowe projekty dają nadzieję na znalezienie odpowiedzi na podstawowe pytania dotyczące materii i antymaterii oraz pochodzenia wszechświata.
„Jak dotąd znamy tylko jeden taki parametr w fizyce cząstek elementarnych, który ma wartość różną od zera i jest związany z właściwościami kwarków” – powiedział Zupan. Ciekawym pytaniem otwartym jest, czy coś podobnego występuje również w przypadku neutrin.
Sousa powiedziała, że naukowcy na całym świecie pracują nad wieloma innymi eksperymentami z neutrinami, które mogłyby dostarczyć odpowiedzi lub wygenerować nowe pytania.
A potem?
„Wtedy pomyślę o emeryturze” – zażartował Sousa.
Odniesienie: „Biała księga na temat poszukiwań sterylnych neutrin świetlnych i powiązanej fenomenologii” MA Acero, CA Argüelles, M. Hostert, D. Kalra, G. Karagiorgi, KJ Kelly, BR Littlejohn, P. Machado, W. Pettus, M. Toups, M. Ross-Lonergan, A Sousa, PT Surukuchi, YYY Wong, W Abdallah, AM Abdullahi, R Akutsu, L Alvarez-Ruso, DSM Alves, A Aurisano, AB Balantekin, JM Berryman, T Bertólez-Martínez, J Brunner, M Blennow, S Bolognesi, M Borusinski, TY Chen, D Cianci, G Collin, JM Conrad, B Crow, PB Denton , M Duvall, E Fernández-Martinez, CS Fong, N Foppiani, DV Forero, M Friend, A García-Soto, C Giganti, C Giunti, R Gandhi, M Ghosh, J Hardin, KM Heeger, M Ishitsuka, A Izmaylov, BJP Jones, JR Jordan, NW Kamp, T Katori, SB Kim, LW Koerner, M Lamoureux, T Lasserre, KG Leach, J Learned, YF Li, JM Link, WC Louis, K Mahn, PD Meyers, J Maricic, D Markoff, T Maruyama, S Mertens, H Minakata, I Mocioiu, M Mooney, MH Moulai, H Nunokawa, JP Ochoa-Ricoux, YM Oh, T Ohlsson, H Päs, D Pershey, RGH Robertson, S. Rosauro-Alcaraz, C. Rott, S. Roy, J. Salvado, M. Scott, SH Seo, MH Shaevitz, M Smiley, J Spitz, J Stachurska, M Tammaro, T Thakore, CA Ternes, A Thompson, S Tseng, B Vogelaar, T Weiss, RA Wendell, RJ Wilson, T Wright, Z Xin, BS Yang, J Yoo, J Zennamo, J Zettlemoyer, JD Zornoza, J Zupan, S Ahmad, E Arrieta-Diaz, VS Basto-Gonzalez, NS Bowden, BC Cañas, D Caratelli, CV Chang, C Chen, T Classen, M Convery, GS Davies, SR Dennis, Z Djurcic, R Dorrill, Y Du, JJ Evans, U Fahrendholz , JA Formaggio, BT Foust, H Frandini Gatti, D Garcia-Gamez, S Gariazzo, J Gehrlein, C Grant, RA Gomes, AB Hansell, F Halzen, S Ho, J Hoefken Zink, RS Jones, P Kunkle, JY Li, SC Li, X Luo, Yu Malyshkin, CJ Martoff, D Massaro, A Mastbaum , R Mohanta, HP Mumm, M Nebot-Guinot, R Neilson, K Ni, J Nieves, GD Orebi Gann, V Pandey, S Pascoli, G Paz, AA Petrov, X Qian, M Rajaoalisoa, SH Razafinime, C Roca, G Ron, B Roskovec, E Saul-Sala, L Saldaña, DW Schmitz, K Scholberg, B Shakya, PL Slocum, EL Snider, H Th J Steiger, AF Steklain, MR Stock, F Sutanto, V Takhistov, R Tayloe, YD Tsai, YT Tsai, D Venegas-Vargas, M Wallbank, E Wang, P Weatherly, S Westerdale, E Worcester, W Wu, G Yang i B Zamorano, 29 października 2024 r., Journal of Physics G: Fizyka jądrowa i cząsteczkowa.
DOI: 10.1088/1361-6471/ad307f
