Нейтрино, призрачные фундаментальные частицы, которые, как известно, трудно изучать, могут дать ученым подсказки об эволюции Вселенной.
На самом деле их так трудно поймать, что, возможно, существует четвертый тип, который десятилетиями прятался прямо под нашими носами.
Ученые из Национальной лаборатории ускорителей имени Ферми, входящей в состав Университета Чикаго, где проводятся самые масштабные исследования нейтрино в мире, ведут международное сотрудничество для изучения возможности создания совершенно новой частицы. Хотя известно три типа нейтрино, ученые ищут возможный четвертый — стерильное нейтрино , существование которого дразнили, но никогда четко не подтвердили.
Основные компоненты для нового нейтринного эксперимента прибывают со всего мира, чтобы быть интегрированными в предстоящий ближний детектор ближней линии, или SBND, в Fermilab.
«Программа короткого базового уровня нацелена на рассмотрение интересных результатов предыдущих экспериментов, которые могут быть намекают на новый класс нейтрино , который откроет совершенно новую, неожиданную область в физике нейтрино», — сказал Дэвид Шмитц, сопредседатель и помощник SBND. профессор физики в Чикагском университете. «Но что бы мы ни нашли, результаты должны дать нам ясность в этой давней загадке».
В Фермилаб, расположенном примерно в 45 милях к западу от Чикаго, три детектора восседают вдоль пучка нейтрино, генерируемого ускорителями частиц Фермилаба. Из этих трех новый детектор будет располагаться ближе всего к источнику луча, всего в 360 футах. (Два других, MicroBooNE и ICARUS, находятся на расстоянии 1500 футов и 2000 футов от источника, соответственно.)
«Причина, по которой у вас есть три детектора, заключается в том, что вы хотите отобрать пучок нейтрино вдоль линии луча на разных расстояниях», — сказал другой представитель проекта, исследователь нейтрино из Фермилаба Орнелла Паламара.
Поскольку нейтрино проходят через один детектор за другим, некоторые из них оставляют следы в детекторах. Ученые проанализируют эту информацию, чтобы найти твердое доказательство предположенного, но никогда не замеченного члена семейства нейтрино.
Нейтрино входят в один из трех «ароматов»: электрон, мюон и тау. Они переходят из одного аромата в другой, путешествуя в пространстве, которое называется колебанием. Известно, что нейтрино колеблются во всех трех разновидностях, но только дальнейшие доказательства помогут ученым определить, колеблются ли они и в четвертый тип — стерильное нейтрино.
Если эти стерильные нейтрино существуют, они вообще не взаимодействуют с веществом. (Нейтрино, с которыми мы знакомы, взаимодействуют, но очень редко.) Результаты других экспериментов намекали на возможность существования стерильного нейтрино, но до сих пор никто не подтвердил это.
SBND, как первый детектор в пучке, будет регистрировать число электронных и мюонных нейтрино, которые проходят через него, прежде чем могут возникнуть колебания. Подавляющее большинство из них — около 99,5% — будут составлять мюонные нейтрино. Ко времени прибытия в дальние детекторы, MicroBooNE и ICARUS, несколько из каждой тысячи мюонных нейтрино могли превращаться в электронные нейтрино.
Два возможных исхода могут указывать на существование новой частицы .
Во-первых, дальние детекторы видят больше электронных нейтрино, чем ожидалось. Это может свидетельствовать о наличии стерильных нейтрино: нейтрино могут превращаться в стерильные нейтринные состояния и выходить из них таким образом, что образуется избыток электронных нейтрино. Другое дело, что дальние детекторы видят меньше мюонных нейтрино, чем ожидалось — мюонные нейтрино, обнаруженные в SBND, «исчезают», потому что они превращаются в стерильные нейтрино.
«Проведение одного эксперимента, в котором мы можем одновременно наблюдать появление электронных нейтрино и исчезновение мюонных нейтрино и убедиться, что их величины совместимы друг с другом, невероятно важно для обнаружения стерильных осцилляций нейтрино», — сказал Шмитц. «Ближний детектор существенно улучшает нашу способность сделать это».
Компоненты с трех континентов
Первая из четырех анодных плоскостей, высокочувствительные электронные компоненты, поступила в Fermilab в октябре. Больше в пути.
Узлы анодной плоскости, всего четыре, являются частью детектора 4 на 4 на 5 метров, который будет подвешен внутри криогенного резервуара, заполненного жидким аргоном, при температуре -300 градусов по Фаренгейту. Каждая сборка представляет собой огромную раму, покрытую тысячами тонких чувствительных проводов, предназначенных для отслеживания частиц, которые испускаются нейтрино, сталкивающимися с атомами аргона в резервуаре.
SBND также станет испытательным полигоном для некоторых технологий, включая сборки анодных плоскостей, которые будут использоваться в международном эксперименте по глубинному подземному нейтрино, известном как DUNE, мегасайном эксперименте, организованном Fermilab, который в настоящее время строится в Южной Дакоте.
Учреждения в Европе, Южной Америке и Соединенных Штатах помогают создавать различные компоненты SBND. Всего в работе участвуют более 20 учреждений на трех континентах. По словам Шмитца, еще дюжина сотрудничает в разработке программных инструментов для анализа данных, когда детектор заработает.
«Быть частью международного сотрудничества — это здорово», — сказал Паламара. «Конечно, есть проблемы, но здорово видеть людей, приезжающих со всего мира, для работы над программой. Сборка детекторов, собранных в разных местах, и наблюдение за тем, как все собирается вместе, — это здорово».
Сборка SBND, как ожидается, завершится осенью 2019 года, после чего детектор будет установлен в его здании вдоль генерируемого ускорителем пучка нейтрино. СБНД планирует начать прием нейтрино к концу 2020 года.
