Μειώνονται οι πιθανότητες ύπαρξης του στείρου (sterile) νετρίνο

Posted on 11/08/2020

0


Τα πειράματα με νετρίνα θέτουν τα πιο αυστηρά μέχρι σήμερα όρια για το υποθετικό τέταρτο νετρίνο, χωρίς όμως να αποκλείουν την πιθανότητα ύπαρξής του.

Καθώς τα νετρίνα διασχίζουν την Γη η γεύση τους ταλαντώνεται. Η γραφική παράσταση στο ένθετο της παραπάνω εικόνας δείχνει την πιθανότητα ένα νετρίνο του μιονίου (κόκκινο) που παράγεται στο Fermilab να ταλαντώνεται σε ένα νετρίνο του ταυ (μπλε), ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου (πράσινο) ή το υποθετικό στείρο νετρίνο (γκρι).

Οι φυσικοί γνωρίζουν αρκετά πράγματα για τα νετρίνα. Είναι στοιχειώδη σωματίδια που «κυκλοφορούν» παντού, αλλά σπάνια αλληλεπιδρούν με την ύλη. Εμφανίζονται σε τρεις διαφορετικούς τύπους (ή γεύσεις) – νετρίνο του ηλεκτρονίου, νετρίνο του μιονίου και νετρίνο του σωματιδίου ταυ. Και μπορούν να ταλαντώνονται μεταξύ αυτών των γεύσεων, μεταπίπτοντας από τον έναν τύπο νετρίνου σε άλλον καθώς ταξιδεύουν.

Όμως υπάρχουν μερικά αναπάντητα (μέχρι στιγμής) ερωτήματα σχετικά με τα νετρίνα. Όπως για παράδειγμα η ακριβής τιμή της μάζας τους, η οποία είναι μεν πολύ μικρή, αλλά διάφορη του μηδενός. Τα πειράματα σχετικά με τις ταλαντώσεις τους δίνουν πληροφορίες για την διαφορά των τετραγώνων των μαζών των νετρίνων, ενώ οι κοσμολογικές εκτιμήσεις δίνουν εκτίμηση του αθροίσματος των μαζών και των τριών νετρίνων.

Επιπλέον, τα πειράματα δείχνουν την ύπαρξη ενός αινιγματικού τέταρτου νετρίνου, αυτό που ονομάζεται στείρο νετρίνο. Αλλά τα δεδομένα δεν είναι ξεκάθαρα και τα σήματα από αυτό το σωματίδιο είναι αμφιλεγόμενα. Οι φυσικοί των πειραμάτων MINOS, MINOS+πειράματα στο Fermilab στις ΗΠΑ και του Daya Bay Reactor Neutrino Experiment στην Κίνα, δημοσίευσαν μια ανάλυση μέρους των δεδομένων τους που δεν βλέπει την ύπαρξη στείρων νετρίνων. Όμως δεν έχουν μελετήσει ακόμα όλα τα δεδομένα τους, ενώ άλλα πειράματα βλέπουν πιθανά σήματα, αφήνοντας την «πόρτα μισάνοιχτη» όσον αφορά την ύπαρξη του στείρου νετρίνου.

Η ταλάντωση των νετρίνων μεταξύ των γεύσεων είναι ένα κβαντικό φαινόμενο. Προέρχεται από το γεγονός ότι κάθε γεύση νετρίνων, νe (ηλεκτρονίου), νμ (μιονίου) και ντ (ταυ), είναι μια γραμμική υπέρθεση τριών καταστάσεων, ν1, ν2 και ν3 με μάζες m1, m2 και m3 (διαβάστε σχετικά: Βραβείο Νόμπελ 2015 – «Η αποκάλυψη των ταλαντώσεων των νετρίνων»).

Μετρήσεις ακρίβειας δείχνουν ότι η απόσταση που χρειάζεται ένα νετρίνο για να μετατραπεί σε άλλο – η γραμμή ταλάντωσης των νετρίνων – εξαρτάται από τις ενέργειες των συμμετεχόντων καταστάσεων και τη διαφορά τετραγώνων των μαζών τους. Για παράδειγμα, ένα νετρίνο του μιονίου ενός γιγα-ηλεκτρονιοβόλτ (GeV) από την δέσμη νετρίνων στο Fermilab συνήθως διανύει 500 χιλιόμετρα για να ταλαντωθεί σε ένα νετρίνο του ταυ. Αντίθετα, ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου τριών μεγα-ηλεκτρονιοβόλτ (MeV) από έναν πυρηνικό αντιδραστήρα, διανύει μόνο 1 χιλιόμετρο για να αλλάξει γεύση. Και οι δύο ταλαντώσεις είναι συνεπείς με την εξίσωση: \Delta m^{2}_{31} = m^{2}_{3}-m^{2}_{1} = 2.5 \times 10^{-3} eV^{2}.

Ωστόσο, ορισμένα πειράματα διαπίστωσαν μια σειρά από προβληματικά αποτελέσματα που δεν ταιριάζουν στο πλαίσιο των τριών νετρίνων. Τα παλαιότερα αποτελέσματα τέτοιου είδους προέρχονται από το πείραμα Liquid Scintillator Neutrino Detector (LSND) στο Εθνικό Εργαστήριο του Los Alamos, όπου το 2001 προέκυψαν δεδομένα σύμφωνα με τα οποία αντινετρίνα μιονίων μετατρέπονται σε αντινετρίνα ηλεκτρονίων σε μικρότερες αποστάσεις από τις αναμενόμενες για ταλαντώσεις νετρίνων τριών γεύσεων. Αργότερα, το πείραμα Mini Booster Neutrino (MiniBooNE), το οποίο πραγματοποιήθηκε για να ελέγξει την ανωμαλία του πειράατος LSND, παρατήρησε ένα παρόμοιο σήμα.

Μια εξήγηση για αυτές τις σύντομες ταλαντώσεις είναι ότι υπάρχει ένα τέταρτο «στείρο» νετρίνο, νs, το οποίο δεν αλληλεπιδρά σύμφωνα με τις θεμελιώδεις αλληλεπιδράσεις του καθιερωμένου προτύπου της σωματιδιακής φυσικής. Τα δεδομένα LSND και MiniBooNE υποδηλώνουν ότι ένα τέτοιο σωματίδιο θα έχει ταλαντώσεις με διαφορά μάζας Δm241 = 1eV2. Κι άλλα πειράματα με νετρίνα από πυρηνικούς αντιδραστήρες συμφωνούν με την διαφορά μάζας 1 eV2 ή και περισσότερο.

Η νέα ανάλυση από τα πειράματα MINOS, MINOS + και Daya Bay, η οποία περιλαμβάνει παλιά δεδομένα από το πείραμα Bugey-3, που ολοκληρώθηκε το 1996 – έψαξε προς αυτή την κατεύθυνση αλλά δεν βρήκε καμία ένδειξη στείρων νετρίνων, σε αντίθεση με τα προαναφερθέντα πειράματα.

Τα πειράματα MINOS και MINOS+ είναι πειράματα μεγάλων διαδρομών, όπου τα νετρίνα ταξιδεύουν εκατοντάδες χιλιόμετρα πριν ανιχνευθούν. Τα δύο πειράματα μελετούν την εξαφάνιση νετρίνων του μιονίου που παράγονται στο Fermilab χρησιμοποιώντας ανιχνευτές τοποθετημένους σε αποστάσεις 1,04 km και 735 km από το εργαστήριο. Το Daya Bay είναι ένα πείραμα μεσαίας διαδρομής. Τα αντινετρίνα του ηλεκτρονίου παράγονται σε έξι πυρηνικούς αντιδραστήρες και ανιχνεύονται από οκτώ ανιχνευτές αντινετρίνων που βρίσκονται σε τρεις διαφορετικές υπόγειες αίθουσες, σε αποστάσεις που κυμαίνονται από 365 m έως 1,9 km από τον αντιδραστήρα. Το Bugey-3 ήταν ένα πείραμα μικρής γραμμής διαδρομής που ανίχνευσε ταλαντώσεις νετρονίων του μιονίου σε αποστάσεις 15, 40 και 95 m από τον πυρήνα του αντιδραστήρα, όπου παράγονταν τα νετρίνα.

Οι εν λόγω πειραματικές ομάδες σε συνεργασία μεταξύ τους έθεσαν νέους περιορισμούς στην πιθανότητα το νετρίνο του μιονίου να μεταπίπτει σε ένα νετρίνο του ηλεκτρονίου διαμέσου ενός στείρου νετρίνου σε αυτές τις αποστάσεις. Εξαλείφουν το στείρο νετρίνο στις περιοχές διαφοράς μαζών μεταξύ 10−4 και 103 eV2.

Αυτοί οι νέοι περιορισμοί επιτείνουν την διαφωνία σχετικά με την ύπαρξη του στείρου νετρίνο. Αυτή η διαφωνία οφείλεται στο ότι αποκλείουν τις τιμές διαφοράς μάζας για τα σήματα στείρων νετρίνων που θα μπορούσαν να εξηγήσουν τόσο τα πρώτα πειράματα LSND, όσο και το πείραμα MiniBooNE, αλλά και νέα μη δημοσιευμένα πειράματα του MiniBooNE που αναλύουν ένα σύνολο δεδομένων 17 ετών. Υπάρουν κι άλλα μη δημοσιευμένα αποτελέσματα, αυτή τη φορά από το πείραμα IceCube, όπου αναλύονται οκτώ χρόνια ατμοσφαιρικών δεδομένων νετρίνων του μιονίου και αμφισβητούν επίσης την ύπαρξη του στείρου νετρίνου. Και η απουσία του στείρου νετρίνου συμφωνεί με τα δεδομένα από του διαστημικού τηλεσκοπίου Planck που μετρούν την πυκνότητα ενέργειας του αρχέγονου Σύμπαντος.

Αυτές οι διαφωνίες σημαίνουν ότι χρειάζονται επιπλέον δεδομένα για την επίλυση του προβλήματος σχετικά με το στείρο νετρίνο, ιδίως από το Short Baseline Neutrino Program στο Fermilab. Επιπλέον το πείραμα MINOS+συνεργασία στο Fermilab πρέπει να αναλύσει τα δεδομένα πειραμάτων των τελευταίων ετών, ενώ το πείραμα Daya Bay έχει δύο επιπλέον χρόνια λήψης δεδομένων που πρέπει να αναλυθούν.

Όταν ολοκληρωθούν τα παραπάνω τότε ίσως οι φυσικοί να καταλήξουν σε μια τελική πειραματική ετυμηγορία υπέρ ή κατά της ύπαρξης στείρων νετρίνων.

διαβάστε περισσότερες λεπτομέρειες ΕΔΩ: https://physics.aps.org/articles/v13/123

Ετικέτα: