Fizycy mają nadzieję odpowiedzieć na podstawowe pytania dotyczące pochodzenia wszechświata, dowiadując się więcej o jego najmniejszych cząsteczkach.
Profesor Uniwersytetu Cincinnati Alexandre Sousa pomógł nakreślić najbliższe 10 lat globalnych badań nad zachowaniem neutrin – cząstek tak małych, że przechodzą przez praktycznie wszystko w bilionach co sekundę z prędkością bliską prędkości światła.
Powstają w wyniku reakcji syntezy jądrowej na Słońcu, rozpadu radioaktywnego w reaktorach jądrowych lub skorupie ziemskiej lub w laboratoriach akceleratorów cząstek. Podczas podróży mogą przełączać się między jednym z trzech typów lub „smaków” neutrin i z powrotem.
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.
W nowej białej księdze opublikowanej w czasopiśmie Journal of Physics G Sousa i jego współautorzy omawiają eksperymentalne anomalie w badaniu neutrin, które wprawiły badaczy w zakłopotanie.
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.
„Oczekuje się postępu w fizyce neutrin na kilku frontach” – powiedział współautor i profesor Uniwersytetu Kalifornijskiego Jure 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.
Pytanie brzmi: dlaczego we wszechświecie jest więcej materii niż antymaterii, skoro Wielki Wybuch stworzył obie te rzeczy 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”.
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.
„Dzięki tym dwóm modułom detektorów i najpotężniejszej w historii wiązce neutrin możemy dokonać wielu odkryć naukowych” – powiedział Sousa. „Wyjście DUNE do sieci będzie niezwykle ekscytujące. Będzie to najlepszy w historii eksperyment z neutrinami”.
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 gdy się to udaje, to przyjemność” – powiedział.
W międzyczasie Sousa i profesor nadzwyczajny Uniwersytetu Kalifornijskiego Adam Aurisano biorą 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.
„To powinno dać bardzo interesujące wyniki, zwłaszcza gdy połączy się je z DUNE. Zatem połączenie tych dwóch eksperymentów ogromnie poszerzy naszą wiedzę” – powiedział Sousa. „Powinniśmy uzyskać odpowiedzi w latach trzydziestych XXI wieku”.