Доцент Колледжа искусств и наук Калифорнийского университета Александр Соуза и доцент Адам Аурисано приняли участие в эксперименте в Национальной ускорительной лаборатории Ферми по поиску стерильных нейтрино, предполагаемого четвертого «аромата» нейтрино, который пополнит ряды мюонов, тау и электронные нейтрино как элементарные частицы, составляющие известную вселенную.
По словам Соуза, найти нейтрино четвертого типа будет очень сложно.
Это изменило бы наше понимание элементарных частиц и их взаимодействий в так называемой Стандартной модели.
Исследователи в двух экспериментах под названием Daya Bay и MINOS + совместно работали над дополнительными проектами в интенсивных усилиях по поиску стерильных нейтрино с использованием некоторых из самых передовых и точных инструментов в мире.
«По-видимому, мы не видим никаких доказательств в их пользу», – сказал Аурисано.
Исследование было опубликовано в журнале Physical Review Letters и опубликовано в журнале Physics Magazine, опубликованном Американским физическим обществом.
"Это важный результат для физики элементарных частиц", – сказал Соуза. "Это дает почти окончательный ответ на вопрос, который не решался более 20 лет."
Исследование основано на предыдущих исследованиях, которые открыли заманчивые возможности для поиска стерильных нейтрино.
Но новые результаты показывают, что стерильные нейтрино, возможно, не были ответственны за аномалии, которые исследователи наблюдали ранее, сказал Аурисано.
«Наши результаты несовместимы со стерильной нейтринной интерпретацией аномалий», – сказал он. "Таким образом, эти эксперименты исключают возможность – главную возможность – того, что осцилляции стерильных нейтрино объясняют только эти аномалии."
Нейтрино крошечные, настолько крошечные, что их невозможно разбить на что-то меньшее. Они настолько малы, что проходят практически через все – горы, свинцовые своды, вас – триллионами каждую секунду практически со скоростью света.
Они генерируются реакциями ядерного синтеза, приводящими в действие Солнце, радиоактивными распадами в ядерных реакторах или в земной коре, а также в лабораториях ускорителей частиц, среди других источников.
И во время путешествия они часто переходят из одного типа (тау, электрон, мюон) в другой или обратно.
Но теоретики предположили, что может быть четвертое нейтрино, которое взаимодействует только с гравитацией, что делает их намного труднее обнаружить, чем три других, которые также взаимодействуют с веществом через слабое ядерное взаимодействие.
Эксперимент Daya Bay состоит из восьми детекторов, расположенных вокруг шести ядерных реакторов за пределами Гонконга.
MINOS + использует ускоритель элементарных частиц в Иллинойсе, чтобы запустить пучок нейтрино на 456 миль через кривизну Земли к детекторам, ожидающим в Миннесоте.
«Мы все были бы очень рады найти доказательства существования стерильных нейтрино, но данные, которые мы собрали до сих пор, не подтверждают каких-либо осцилляций стерильных нейтрино», – сказал Педро Очоа-Рику, доцент Калифорнийского университета в Ирвине.
Исследователи ожидали увидеть, как мюонные нейтрино, казалось бы, исчезнут в воздухе, когда они перейдут в стерильные нейтрино. Но это не то, что случилось.
«Мы ожидали увидеть, что мюонные нейтрино осциллируют в стерильные нейтрино и исчезнут», – сказал Аурисано.
Несмотря на полученные данные, Аурисано считает, что стерильные нейтрино действительно существуют, по крайней мере, в той или иной форме.
"Я думаю, что стерильные нейтрино, скорее всего, будут существовать при высоких энергиях. «В самом начале Вселенной можно было ожидать, что будут стерильные нейтрино», – сказал он. "Без них трудно объяснить аспекты массы нейтрино."
Но Аурисано скептически относится к обнаружению легких стерильных нейтрино, которые многие теоретики ожидали найти в экспериментах.
"Наш эксперимент не одобряет легкие стерильные нейтрино или нейтрино меньшей массы", – сказал он.
Соуза сказал, что некоторые из его исследований были несколько усечены глобальной пандемией COVID-19, когда Фермилаб прекратил работу ускорителей на несколько месяцев раньше, чем ожидалось.
Но исследователи продолжали использовать огромные суперкомпьютеры для изучения данных экспериментов, даже работая дома во время карантина.
"Это одно из благословений физики высоких энергий", – сказал Аурисано. "Fermilab имеет все данные в сети, а вычислительная инфраструктура разбросана по всему миру. Итак, пока у вас есть Интернет, вы можете получить доступ ко всем данным и ко всем вычислительным средствам для проведения анализа."
Тем не менее, Аурисано сказал, что для работы из дома требуется некоторое привыкание.
"Это было проще, когда у меня были определенные часы в офисе.
Иногда бывает сложно работать из дома », – сказал он.